Εφαρμογές της θερμικής απεικόνισης στη Γεωργία-Μια επισκόπηση

 

 [[category:Εκτίμηση παραγωγής/Απόδοση]]

Roselyne Ishimwe, K. Abutaleb, F. Ahmed


Περίληψη

Στην  θερμική τηλεπισκόπηση η  αόρατη ακτινοβολία των αντικειμένων μετατρέπεται σε ορατές εικόνες και οι εικόνες αυτές ονομάζονται θερμογραφήματα ή θερμικές εικόνες. Θερμικές εικόνες μπορούν να αποκτηθούν με τη χρήση φορητού αισθητήρα  , αισθητήρα χειρός ή με  θερμικούς αισθητήρες που συνδέονται με οπτικά συστήματα τοποθετημένα σε ένα αεροπλάνο ή δορυφόρο. Η τεχνολογία αυτή είναι μια μη επεμβατική, μη-επαφής και μη-καταστρεπτική τεχνική που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των  θερμικών  ιδιοτήτων  και των χαρακτηριστικών   του κάθε αντικειμένου για το οποίο υπάρχει ενδιαφέρον και ως εκ τούτου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς, όπου η θερμότητα παράγεται ή χάνεται στο χώρο και το χρόνο. Η ενδεχόμενη χρήση της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία περιλαμβάνει την παρακολούθηση καλλιεργειών  φυτωρίου  και  θερμοκηπίου,  προγραμματισμένη άρδευση, εντοπισμό  νόσου φυτών , τον υπολογισμό  της απόδοσης σε καρπό , την αξιολόγηση της ωριμότητας των φρούτων και ανίχνευση εκχυμώσεων  σε φρούτα και λαχανικά. Το παρόν έγγραφο εξετάζει την εφαρμογή της θερμικής απεικόνισης  στη γεωργία και την πιθανή χρήση της σε διάφορες γεωργικές πρακτικές.

1. Βασική Μεθοδολογία 

Θερμική τηλεπισκόπηση είναι ο κλάδος της τηλεπισκόπησης που ασχολείται με την απόκτηση, επεξεργασία και ερμηνεία των δεδομένων που προέκυψαν  κατά κύριο λόγο στο θερμικό υπέρυθρο (TIR) που είναι μια περιοχή  του ηλεκτρομαγνητικού (ΗΜ) φάσματος.
Η Θερμική τηλεπισκόπηση διαφέρει από την οπτική τηλεπισκόπησης . Στην θερμική τηλεπισκόπηση μετράται η ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια του
του αντικείμενου-στόχου, ενώ στην οπτική  τηλεπισκόπηση  μετράται  η ακτινοβολία που  αντανακλάται από το υπό εξέταση  αντικείμενο-στόχο. 
Η θερμική υπέρυθρη έχει εξελιχθεί σε μια σημαντική τεχνολογία που εφαρμόζεται από τους χρήστες απ 'ευθείας στο έδαφος, χρησιμοποιώντας υπέρυθρα όργανα που είναι φορητά ακόμη και χειρός ή με τη χρήση θερμικών αισθητήρων σε συνδυασμό με τα οπτικά συστήματα . Ως εκ τούτου, τα δεδομένα θερμικής απεικόνισης μπορεί να χρησιμοποιηθούν  άμεσα ή έμμεσα για πολλές εφαρμογές, όπως τα έργα πολιτικού μηχανικού, σε τομείς της  βιομηχανικής συντήρησης,  της αεροδιαστημικής, της ιατρικής,  της κτηνιατρικής και  της φαρμακευτικής. Η εφαρμογή της θερμικής απεικόνισης κερδίζει έδαφος  στον τομέα της γεωργίας κατά τα τελευταία χρόνια λόγω της μείωσης του κόστους του εξοπλισμού και  της απλής λειτουργίας. Εκτός της χρήσης της σε διάφορους τομείς της γεωργίας καθώς και της βιομηχανίας τροφίμων εξ αιτίας του ότι  είναι σήμερα πολύ  εξειδικευμένη  ώστε να μπορεί να  χρησιμοποιηθεί στην γεωργία ακριβείας. 
Ειδικότερα, οι θερμικές ιδιότητες των φύλλων των φυτών επηρεάζονται από μια  πολύπλοκη ετερογενή εσωτερική δομή ,που οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι στα φύλλα κάθε φυτού περιέχεται  μια συγκεκριμένη  ποσότητα νερού ανά μονάδα επιφάνειας. Για το λόγο αυτό, είναι δυνατόν να κάνουμε έρευνες σε μεμονωμένα φυτά  με την θερμική  τηλεπισκόπηση λόγω της ευελιξίας,  της ακρίβειας και της υψηλής ανάλυσης της υπέρυθρης θερμογράφησης.
Παρ 'όλα αυτά,  οι ακριβείς θερμικές μετρήσεις εξαρτώνται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, οι οποίες επηρεάζουν τις θερμικές ιδιότητες  των καλλιεργειών που αποτυπώνονται.. Επομένως, η ρύθμιση  των εικόνων ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες είναι απαραίτητη για την αντιπαραβολή των δεδομένων των εικόνων που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια διαφορετικών περιόδων μέτρησης και περιόδων (φάσεων)  ανάπτυξης .
Η τεχνολογία της θερμικής τηλεπισκόπησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα αγροτικά προϊόντα  και τις  διαδικασίες, όπου η θερμότητα παράγεται ή χάνεται στο χώρο και στο χρόνο. Η δυνητική  χρήση  της θερμογραφίας στη γεωργία περιλαμβάνει την παρακολούθηση  φυτών  στο φυτώριο,  στον προγραμματισμό των αρδεύσεων,  στην ανίχνευση της αλατότητας του εδάφους, στην ανίχνευση των ασθενειών και του παθογόνου που τις προκαλεί, την  εκτίμηση  της απόδοσης, στην  αξιολόγηση  του βαθμού ωριμότητας και στην ανίχνευση εκχυμώσεων (ή σαπίσματος). 
Ο σκοπός της εργασίας είναι η ανασκόπηση των διαφορετικών θερμικών αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη γεωργία, καθώς και η συνοπτική παρουσίαση  διάφορων  μελετών  που διεξάγονται σχετικά με τις δυνατότητες  εφαρμογής  της θερμικής απεικόνισης στη γεωργία.
Κατ αρχή οι θερμικοί αισθητήρες αποτελούνται από μια θερμική κάμερα εξοπλισμένη με υπέρυθρους ανιχνευτές, μια μονάδα επεξεργασίας και ένα σύστημα ανάκτησης εικόνων. Τα συστήματα θερμικής απεικόνισης αξιολογούνται με βάση την  θερμική ευαισθησία τους, την ταχύτητα σάρωσης,  την ανάλυση της  εικόνας και  την ανάλυση της έντασης. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι προδιαγραφές των θερμικών αισθητήρων και που καθένας από αυτούς χρησιμοποιείται . 

1.Ιδιότητες της φασματικής ανακλαστικότητας  των παραμέτρων της βλάστησης.

Η τηλεπισκόπηση παρέχει περισσότερα  και ακριβέστερα  στοιχεία για τις παραμέτρους βλάστησης σε σχέση με τις  παραδοσιακές τεχνικές, που είναι έντασης εργασίας και χρονοβόρες, διότι παρέχει συνεχή χωρική κάλυψη σε μεγάλη έκταση  και σε επαναλαμβανόμενα διαστήματα.  Αποτυπώνονται φασματικά  τα διάφορα χαρακτηριστικά ανάκλασης της βλάστησης που εξαρτώνται από τις  ιδιότητες των φύλλων όπως το χρώμα  των φύλλων, το πάχος, τη δομή των κυττάρων  και την περιεκτικότητα  του νερού στον ιστό των φύλλων. Κάθε μία από τις ιδιότητες της βλάστησης  διαπιστώθηκε ότι  αποτυπώνεται  σε διαφορετικού εύρους μήκος κύματος δηλαδή σε διαφορετικό κανάλι  του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος

2.Παρακολουθηση φυτωρίων

Οι συμβατικές μέθοδοι δοκιμής της  βιωσιμότητα των σπόρων που χρησιμοποιούνται 
είναι χρονοβόρες, και έντασης εργασίας. Εξάλλου τα  χαρακτηριστικά των σπόρων προς σπορά δεν αναγνωρίζονται οπτικά ως εκ τούτου θερμικές τεχνικές απεικόνισης υπερύθρων είχαν προταθεί ως μια πιθανή εναλλακτική λύση. Θερμικό προφίλ των σπόρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει λεπτές αλλαγές στη θερμοκρασία, οι αλλαγές αυτές  που  συνδέονται με τις  αλλαγές στην διαπερατότητα της μεμβράνης των σπόρων ,  που ποικίλουν ανάλογα με τη βιωσιμότητα και αυτό καθιστά δυνατή την ταξινόμηση και τον διαχωρισμό των βιώσιμων σπόρων από τους  μη βιώσιμους.
Σημαντικές θετικές συσχετίσεις βρέθηκαν μεταξύ θερμοκρασίας δενδρυλλίων  και του βαθμού  της βλάβης, όπου τα πιο ψυχρά  δενδρύλλια είχαν υψηλότερο ποσοστό επιβίωσης από τα θερμότερα δενδρύλλια.

3. Προγραμματισμός  Αρδεύσεων 

Με βάση τα αποτελέσματα της  μελέτη τους, οι συγγραφείς κατέληξαν  ότι η ολοκληρωμένη χρήση των υπερφασματικών  δεικτών, καθώς και της φθορομετρικής  και θερμικής ανάλυσης των  εικόνων  μπορούν να εγγυηθούν θετικά αποτελέσματα για προγραμματισμό των αρδεύσεων και τον προσδιορισμό του δείκτη στρες των  καλλιεργειών από έλλειψη νερού. 

4. Ανίχνευση της  Αλατότητα του εδάφους. 

Η αλατότητα του εδάφους προκαλεί σοβαρή υποβάθμιση του περιβάλλοντος που παρεμποδίζει την ανάπτυξη και παραγωγή  των καλλιεργειών γενικώς . Πληροφορίες  για την αλατότητα του εδάφους μπορεί να εξαχθούν από την   θερμική ανάλυσης των  εικόνων  αφού η εκπεμπόμενη από το υπέδαφος ακτινοβολία μπορεί να προσφέρει  πληροφορίες που  η ανακλώμενη ακτινοβολία δεν μπορεί .Ο συντάκτης  του άρθρου αναφέρει, μετά από πειράματα φυτών σε γλάστρες, ότι  η θερμογραφία μπορεί να είναι μια  χρήσιμη μέθοδος για τη διάγνωση του στρες που το αλατούχο έδαφος προκαλεί   σε φυτά σε γλάστρες. Ως εκ τούτου ,η ακτινοβολία του  θερμικού  υπέρυθρου (TIR) είναι σημαντική για τις μελέτες αλατότητας, αν και μόνο λίγες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει την τεχνολογία αυτή  στην μελέτη για  τη διάγνωση του στρες στις καλλιέργειες  από την αλατότητα του εδάφους.

5. Ανίχνευση παθογόνων ασθενειών 

Μετά από σειρά πειραμάτων  και αναλύσεων με την υπέρυθρη θερμική απεικόνιση σε διάφορα είδη φυτών που προσβλήθηκαν από  διάφορες ασθένειες  απέδειξε  ότι η ανάπτυξη του παθογόνου προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας των φύλλων στο σημείο της μόλυνσης.
Η Θερμική απεικόνιση είναι μια απλή επιλογή για την παροχή πληροφοριών για την προ-συμπτωματική διάγνωση των βιοτικών  διεργασιών και  επισημαίνεται,  πριν από την εμφάνιση των ορατών νεκρώσεων  των φύλλων, με την απεικόνιση και την ανάλυση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των μολυσμένων και μη μολυσμένα φύλλων.

6. Εκτίμηση της απόδοση των καλλιεργειών και προβλέψεις.

Εκτίμηση της απόδοσης των καλλιεργειών είναι πολύ σημαντική , διότι τέτοιες προβλέψεις προειδοποιούν τους υπεύθυνους  για την λήψη αποφάσεων σχετικά με την πιθανή μείωση της απόδοσης των καλλιεργειών.
Η θερμική απεικόνιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της απόδοσης καθώς η θερμογραφία βασίζεται στην ανίχνευση της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπει  από μόνο του κάθε    αντικείμενο. Ωστόσο, λίγες μόνο αναφορές μπορούν να βρεθούν σχετικά με την εφαρμογή της θερμικής απεικόνισης  στις εκτιμήσεις και τις προβλέψεις των  αποδόσεων.
Στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν, είναι η  σχέση μεταξύ της παραγωγής σίτου και  της ημερήσιας μέτρησης με θερμική κάμερα της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ φυλλώματος και θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος. Οι συγγραφείς διαπίστωσαν  ότι η απόδοση μιας καλλιέργειας σχετίζεται  με την ποσότητα του νερού που έλαβε κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Δεδομένου ότι η ακρίβεια της απόδοσης πρόβλεψης με Θερμομετρία είναι πολύ ελπιδοφόρα, αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια συμπληρωματική μέθοδο με άλλες μεθόδους.
Εντούτοις, καμία περαιτέρω έρευνα  δεν έχει αναφερθεί σχετικά με την εκτίμηση της απόδοση σε άλλες καλλιέργειες (π.χ. καλαμπόκι, σόγια, κλπ) με τη χρήση θερμικής απεικόνισης, που απαιτεί συνεχή ανίχνευση και καταμέτρηση.

7. Εκτίμηση ωριμότητας καλλιεργειών .

Σύμφωνα με τα στοιχεία των ερευνητών τα θερμικά συστήματα απεικόνισης είναι κατάλληλα για την εξέταση  της ωριμότητας και της ποιότητας των προϊόντων. Ειδικότερα και όπως περιγράφεται λεπτομερώς, οι θερμικές αναλύσεις της διαπνοής των προϊόντων  και η σχέση της με το περιβάλλον επιτρέπουν τον προσδιορισμό της βέλτιστης ημερομηνίας συγκομιδής και την εφαρμογή  προσαρμοσμένου σχεδίου για την μηχανική  συγκομιδή . Παρ 'όλα αυτά, υπάρχει ανάγκη για περισσότερη  έρευνα και   σε άλλες καλλιέργειες.

8. Εντοπισμός εκχυμώσεων  με την χρήση θερμικής απεικόνισης

Οι επιστήμονες μέτρησαν τα σήματα θερμικής εκπομπής φρούτων (αχλάδια), χρησιμοποιώντας μία  εξαιρετικά ευαίσθητη μέσου-υπερύθρου θερμική κάμερα, εφαρμόζοντας τη μέθοδο εγκλωβισμού σε υπέρυθρη θερμογραφία. Η ανίχνευση της ευαισθησία και  η αναλογία σήματος προς θόρυβο ενισχύθηκαν λόγω φιλτραρίσματος. Βρέθηκε σύμφωνα με τον  συγγραφέα ότι μία μεγαλύτερη διαφορά φάσης αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη βλάβη των δειγμάτων  καρπών( αχλάδι), επειδή η κατεστραμμένη περιοχή
προκαλεί καθυστέρηση στο  θερμικό κύμα, ως εκ τούτου η τεχνική θερμογραφία-εγκλωβισμός  μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση βλάβης σε δείγματα αχλαδιού.

Πηγή: [[http://www.scirp.org/journal/ars Advances in Remote Sensing]]