Παρακολούθηση ενός αμπελώνα που έχει πληγεί από την ίσκα με χρήση τηλεπισκόπησης μέσω εναέριων μη επανδρωμένων οχημάτων

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:35, 9 Φεβρουαρίου 2022 (εμφάνιση κώδικα) M kakara (Συζήτηση | Συνεισφορές/Προσθήκες) (Νέα σελίδα με 'Category:Αστικός και περιφερειακός σχεδιασμός ''' Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και τω...') ← Προηγούμενη επεξεργασία		Αναθεώρηση της 02:09, 10 Φεβρουαρίου 2022 (εμφάνιση κώδικα) M kakara (Συζήτηση | Συνεισφορές/Προσθήκες) Επόμενη επεξεργασία →
Γραμμή 1:		Γραμμή 1:
-	[[Category:Αστικός και περιφερειακός σχεδιασμός ]]	+	[[Category:Γεωργία ]]
-	''' Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και των αστικών θερμικών νησίδων στην πόλη Τάντα της Αιγύπτου '''	+	''' Παρακολούθηση ενός αμπελώνα που έχει πληγεί από την ίσκα με χρήση τηλεπισκόπησης μέσω εναέριων μη επανδρωμένων οχημάτων '''
-	Change detection of land cover and urban heat islands using multi-temporal Landsat images, application in Tanta city, Egypt	+	Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-based remote sensing to monitor grapevine leaf stripe disease within a vineyard affected by esca complex
-	'''Συγγραφείς:''' Hala Adel Effat, Lamyaa Gamal-ElDeen Taha, Kamel Fathi Mansour	+	'''Συγγραφείς:''' Salvatore F. di Gennaro, Enrico Batt Isto N., Stefano di Marco, Osvaldo Facini, Alessandro Mate Se, Marco Nocentini, Alberto Palliott  and Laura Mugnai
-	'''Πηγή:''' [[https://www.researchgate.net/publication/273339097_Change_Detection_of_Land_cover_and_Urban_Heat_Islands_using_Multi-Temporal_Landsat_Images_application_in_Tanta_City_Egypt]]	+	'''Πηγή:''' [[https://www.researchgate.net/publication/305710208_Unmanned_Aerial_Vehicle_UAV-based_remote_sensing_to_monitor_grapevine_leaf_stripe_disease_within_a_vineyard_affected_by_esca_complex]]
-	'''Εισαγωγή'''	+	'''Abstract'''
-	Η έντονη αστικοποίηση έχει ευεργετικές αλλά και δυσμενείς συνέπειες, που επηρεάζουν από περιβαλλοντική και κοινωνική σκοπιά τους κατοίκους των πόλεων. Οι στέγες και οι τοίχοι των πολυώροφων κτιρίων με πιο σκούρες επιφάνειες, οι χώροι στάθμευσης, οι δρόμοι και τα πεζοδρόμια που είναι κατασκευασμένα από άσφαλτο και σκυρόδεμα τείνουν να έχουν χαμηλό albedo. Αυτές οι σκούρες επιφάνειες χαμηλού albedo απορροφούν υψηλότερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας και την μετατρέπουν σε θερμική ενέργεια. Συνεπώς, συσσωρεύονται υπερβολικές ποσότητες θερμικής ενέργειας σε αυτά τα επίπεδα. Έτσι στις αστικές περιοχές σημειώνονται αυξημένες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τις γύρω αγροτικές περιοχές. Όμως, αν και η διαφορά θερμοκρασίας δεν είναι μεγάλη, μπορεί να προκαλέσει αρκετά αξιοσημείωτα κοινωνικά και περιβαλλοντικά προβλήματα στις αστικές περιοχές. Ο πυρήνας της πόλης γίνεται θερμότερος από την περιφέρειά της, σχηματίζοντας έτσι μια αστική θερμική νησίδα. Οι ερευνητές ορίζουν την αστική θερμική νησίδα ως το φαινόμενο που αφορά τη χαρακτηριστική ζεστασιά τόσο της ατμόσφαιρας όσο και των επιφανειών στις πόλεις σε σύγκριση με το περιβάλλον τους. Τα αυξημένα επίπεδα θερμοκρασίας και η ατμοσφαιρική ρύπανση, τα οποία είναι συνέπειες των αστικών θερμικών νησίδων έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Τέτοιες επιδράσεις είναι η γενική δυσφορία, τα αναπνευστικά προβλήματα, τα εγκεφαλικά επεισόδια και οι κράμπες, η εξάντληση και ακόμη και οι θάνατοι που σχετίζονται με τη θερμότητα.	+	Συμπτώματα στο φύλλωμα που προκαλούνται από την ασθένεια της ίσκας των αμπελιών συνδέονται με δραστική αλλοίωση της φωτοσυνθετικής λειτουργίας και ενεργοποίηση των μηχανισμών άμυνας στα μολυσμένα αμπέλια, πολλές μέρες πριν τα πρώτα ορατά συμπτώματα στα φύλλα. Η παρούσα μελέτη προτείνει μια μεθοδολογία για την διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ των υψηλής ανάλυσης πολυφασματικών εικόνων που αποκτήθηκαν από εναέριο μη επανδρωμένο όχημα (UAV) και των συμπτωμάτων GLSD που καταγράφονται από επίγειες έρευνες. Οι πολυφασματικές εικόνες υψηλής ανάλυσης αποκτήθηκαν τον Ιούνιο του 2012 και Ιούλιο του 2013, σε έναν πειραματικό αμπελώνα που επηρεάστηκε βαριά από την GLSD και βρίσκεται στην Τοσκάνη της Ιταλίας.
-	Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια οικονομική, αποδοτική και γρήγορη μεθοδολογία για την ανάλυση των χωρικά και χρονικά κατανεμημένων θερμοκρασιών της επιφάνειας της γης, δεδομένου ότι η κάλυψη των δορυφορικών εικόνων αφορά μεγάλη περιοχή. Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικές τηλεπισκόπησης με υπέρυθρη ακτινοβολία (TIR) έχουν εφαρμοστεί σε περιβαλλοντικές μελέτες και μελέτες του κλίματος των πόλεων, κυρίως για την ανάλυση των προτύπων θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST) και τη σχέση της με τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της γης. Εκτός από τις μετρήσεις των LST, αυτοί οι αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την απόκτηση δεδομένων εκπομπής διαφορετικών επιφανειών με ποικίλες αναλύσεις και ακρίβειες.	+
-	Περιοχή μελέτης: Η πόλη Τάντα είναι η πρωτεύουσα του Κυβερνείου El Gharbeya, είναι μέρος του Δέλτα του Νείλου και περιβάλλεται από καλλιεργημένες εύφορες εκτάσεις. Ο συνολικός πληθυσμός της πόλης είναι 429.000 κάτοικοι. Με το υψηλό ποσοστό αστικοποίησης που την χαρακτηρίζει, η κάλυψη της βλάστησης μειώνεται γρήγορα και αντικαθίσταται από ψηλά κτίρια, δρόμους, χώρους στάθμευσης, πεζοδρόμια και άλλες κατασκευές, ενώ η υψηλή συγκέντρωση οχημάτων στην περιοχή συμβάλλει στην εκπομπή θερμότητας και αερίων ρύπων. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του αέρα καταγράφεται τον Ιανουάριο, κατά μέσο όρο 18° C και υψηλότερη θερμοκρασία τον Ιούλιο, κατά μέσο όρο 33 ° C.	+	'''Εισαγωγή'''
		+	Οι μυκητιακές ασθένειες του κορμού είναι από τις πιο δύσκολες ασθένειες του αμπελιού (Di Marco et al,2011a). H ασθένεια της ίσκας των αμπελιών (GLSD) συνδέεται κυρίως με μολύνσεις των αγγείων του ξύλου. Tα πιο γνωστά χαρακτηριστικά της GLSD είναι η απουσία συσχέτισης μεταξύ της σοβαρότητας της επιδείνωσης και της εμφάνισης του ξύλου και της σοβαρότητας των συμπτωμάτων στα φύλλα. Είναι χαρακτηριστικό πως τα συμπτώματα μπορεί να μην εμφανίζονται σε κάθε καλλιεργητική εποχή, ακόμα και αν ένας αμπελώνας έχει εμφανίσει συμπτώματα σε παλιότερα χρόνια, κάτι που καθιστά δυσκολότερο τον εντοπισμό. Κατά συνέπεια η ετήσια παρακολούθηση των συμπτωμάτων των φύλλων είναι ουσιώδης για την εκτίμηση της εξέλιξης στα χρόνια και της απόκτησης σωρευτικών δεικτών για την πραγματική έκταση της ασθένειας.
		+	Η ανάπτυξη μη επεμβατικών τεχνικών βασιζόμενες στην οπτική τεχνολογία ανιχνεύουν την ασθένεια μέσω δεδομένων ανάκλασης και δείκτη φασματικής βλάστησης. Πιο συγκεκριμένα ο δείκτης φασματικής ανάκλασης για το πράσινο βρίσκεται στο κόκκινο κανάλι και είναι περισσότερο ευαίσθητος για την χλωροφύλλη, ενώ το υπέρυθρο κανάλι σχετίζεται περισσότερο με την βιομάζα (Blakeman,1990). Σε αυτήν την κατεύθυνση ο δείκτης για την κανονικοποιημένη διαφορά βλάστησης (ΝDVI) είναι μια καλή παράμετρος για την εκτίμηση του περιεχομένου των φύλλων σε χλωροφύλλη και είναι ένας δείκτης της υγείας των φυτών. Ο σκοπός της μελέτης αφορά στην εκτίμηση των σχέσεων μεταξύ του NDVI, των εικόνων υψηλής ανάλυσης από UAV και των μολυσμένων φυτών που καταγράφονται από επίγειες καταγραφές, σε έναν αμπελώνα στην περιοχή Chianti Classico στην Τοσκάνη. Οι χρονιές 2012 και 2013 στις οποίες λήφθηκαν οι εικόνες εμφανίζουν το πλεονέκτημα των σημαντικά διαφορετικών καλοκαιρινών κατακρημνίσεων, κάτι που επηρεάζει την εμφάνιση της ίσκας. Δεύτερος σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας με στόχο την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της χωρικής κατανομής των συμπτωματικών φυτών και στην συνέχεια την δημιουργία ενός μοντέλου πρόβλεψης της έναρξης των συμπτωμάτων της ίσκας.
	'''Μεθοδολογία'''		'''Μεθοδολογία'''
-	*Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013	+	Η μελέτη διεξήχθη σε ένα αμπελώνα έκτασης 1,22 εκταρίων, που βρίσκεται 150 μέτρα πάνω από την θάλασσα και φυτεύτηκε το 1998 με ποικιλία Cabernet Sauvignon, με τα φυτά να απέχουν 1 μέτρο μεταξύ τους. Οι παρατηρήσεις εδάφους πραγματοποιήθηκαν από τον Μάιο έως και τον Σεπτέμβριο, σε εβδομαδιαία διαστήματα το 2012 και σε μηνιαία διαστήματα το 2013. Η πτήση του UAV έγινε τον Μάιο του 2012 σε πλήρη άνθιση, σε πλήρη καρποφορία τον Ιούνιο του 2012 και τον Ιούνιο του 2013 και στο ξεκίνημα της ωρίμανσης τον Ιούνιο του 2012 και 2013. Οι παρατηρήσεις εδάφους έγιναν από 2 εκπαιδευμένους ερευνητές, οι οποίοι παρατηρούσαν το φύλλωμα του κάθε αμπελιού και ταξινομούσαν τα φυτά σε S= συμπτωματικά με έντονα συμπτώματα, C= αμπέλια ελέγχου που δεν είχαν εμφανίσει πότε συμπτώματα και A= αμπέλια που είχαν εμφανίσει συμπτώματα τα προηγούμενα χρόνια. Οι πολυφασματικές εικόνες αποκτήθηκαν από UAV που πετούσε στα 150 μέτρα με ταχύτητα 4 m/s, με την κάμερα να καταγράφει την ανάκλαση από τη βλάστηση για την εξαγωγή πολλαπλών δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI.
-	Η περιοχή που ερευνάται καλύπτεται κυρίως από καλλιεργούμενες εκτάσεις και αστικές περιοχές που εξαπλώνονται και καταπατούν την αρόσιμη γη. Η μελέτη διεξάγεται κατά τη θερινή περίοδο, τα περισσότερα από τα χωράφια καλλιεργούνται με δέντρα και καλλιέργειες ενώ δεν εμφανίστηκαν έρημοι ή γυμνά εδάφη στις εικόνες Landsat. Οι εικόνες που αποκτήθηκαν ήταν όλες καθαρές χωρίς σύννεφα, λόγω των ξηρών καλοκαιρινών πρωινών (7:00-8:00 π.μ.). Ακολουθήθηκε εποπτευόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας και εντοπίστηκαν τρεις κατηγορίες κάλυψης γης, συμπεριλαμβανομένων των καλλιεργούμενων εκτάσεων, των υδατικών όγκων και των αστικών περιοχών. Η συνολική ακρίβεια των πέντε ετών ταξινομήσεων ήταν 86.10%, 89.83%, 91.22% , 93.62 και 95,64% αντίστοιχα. Ο συντελεστής Kappa των πενταετών ταξινομήσεων είναι 0.81, 0.83, 0.86, 0.89 και 0.91 αντίστοιχα.	+
-	*Θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους	+
-	Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης προήλθαν από γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες. Εφαρμόστηκε μια απλή μέθοδος για την ανάκτηση των εκπομπών της επιφάνειας της γης (LSE) με βάση τον δείκτη βλάστησης (NDVI) εφαρμόζωντας τη μέθοδο NDVI Thresholds.	+
-	*Αστική θερμική νησίδα	+
-	Οι αστικές θερμικές νησίδες είναι επίμονες ζώνες όπου σημειώνονται θερμοκρασίες επιφάνειας εδάφους πάνω από το μέσο όρο. Η ένταση του φαινομένου ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας τους και της θερμοκρασίας των αγροτικών περιοχών.	+
-	*Ανάλυση παλινδρόμησης	+
-	Μελετήθηκε η σχέση μεταξύ της εξαρτημένης μεταβλητής (θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους) και της κατηγορίας χρήσης γης/ κάλυψης γης. Η σχέση μελετήθηκε για κάθε μια από τις εικόνες της περιόδου 1984-2013 που ερευνάται.	+
-	Ποσοστό κατοικημένων περιοχών σε τμήματα:	+
-	Ένας κύριος λόγος για τις διαφορές θερμοκρασίας της επιφάνειας μεταξύ αγροτικών και αστικών περιοχών είναι η επίδραση της γεωμετρίας του κτιρίου στις ακτινοβολούμενες ροές. Οι περισσότερες από τις αιγυπτιακές πόλεις έχουν υψηλή πυκνότητα δόμησης, όπως και στην περιοχή μελέτης. Το δομημένων περιοχών υπολογίστηκε για κάθε τμήμα.	+
-	Ποσοστό πράσινων περιοχών :	+
-	Οι σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας και βλάστησης διερευνήθηκαν σε προγενέστερες μελέτες συχνά χρησιμοποιώντας τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης. Το ποσοστό της πράσινης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε τμήμα.	+
-	[[Αρχείο:γ2 (2).png|200px|thumb|left|Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας]]	+
-	'''Αποτελέσματα'''	+	'''Αποτελέσματα'''
-	*Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013	+	Με την συνδυαστική χρήση της τηλεπισκοπικής χρήσης των UAV και των διαφορικών GPS, δημιουργήθηκαν χάρτες του δείκτη NDVI σε υψηλή ανάλυση (0.05 m/pixels) που επιτρέπουν ακριβείς αναλύσεις  σε επίπεδο φυτού. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε στο Matlab επέτρεψε την ακριβή αναγνώριση των σειρών (εικόνα 4) και την εξαγωγή δεδομένων από κάθε φυτό στον χάρτη NDVI. H στοματική αγωγιμότητα των φυτών ήταν σημαντικά μικρότερη στα ασυμπτωματικά φυτά σε σχέση με τα φυτά ελέγχου, ενώ οι θερμοκρασίες των φύλλων στα ασυμπτωματικά φυτά ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από τα φυτά ελέγχου (εικόνα 5). [[Αρχείο:ι5.png|200px|thumb|left|Eικόνα 5: Eδαφικές ηλεκτροφυσιολογικές μετρήσεις. Στοματική αγωγιμότητα (gs) και θερμοκρασία των φύλλων καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας υπέρυθρο αναλυτή αεριών σε υγιή (C) και ασυμπτωματικά φύλλα αμπελιού]]
-	Η εικόνα Landsat TM ταξινομήθηκε με χρήση εποπτευόμενης ταξινόμησης και προέκυψαν τρείς κατηγορίες, αστικές και καλλιεργούμενες εκτάσεις και υδατικές μάζες. Ο συντελεστής Kappa του αποτελέσματος ταξινόμησης είναι 0,81 και η ακρίβεια των δεδομένων ικανοποιητική. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλή δόμηση, στενούς δρόμους,ανεπαρκείς μέθοδοι επεξεργασίας στερεών αποβλήτων και έλλειψη χώρων πρασίνου προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και αλλαγή στο αστικό μικροκλίμα. Στον πίνακα 3 φαίνονται και οι αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής κατα την περίοδο 1984-2013.	+	Ανάλυση στα μήκη των μοσχευμάτων έδειξε πως αυτά ήταν σημαντικά μεγαλύτερα στα φυτά ελέγχου (49.7 cm +/- 3.9) σε σχέση με αυτά των ασυμπτωματικών φυτών (46.1 cm +/- 3.6). H εικόνα 7 παρουσιάζει τις τιμές NDVI από 3 κατηγορίες αμπελιών (C,A και S) για το 2012 και το 2013 επιβεβαιώνοντας τα παραπάνω δεδομένα. Μεγαλύτερες τιμές NDVI καταγράφηκαν για τα υγιή αμπελιά και μικρότερες τιμές NDVI για τα συμπτωματικά αμπέλια. Η μέθοδος ANOVA έδειξε πως η χρήση των UAV ξεχώρισε σωστά (P<0.05) τα υγιή φυτά από τα ασυμπτωματικά και τα συμπτωματικά (P<0.05), αλλά ακόμα και τα ασυμπτωματικά από τα συμπτωματικά για κάθε χρονιά και σε διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες. Ακόμα σημαντικότερο είναι πως η τηλεπισκοπική μέθοδος μπόρεσε να ξεχωρίσει τα φαινομενικά υγιή φυτά που θα εμφάνιζαν συμπτώματα τις επόμενες λίγες εβδομάδες. [[Αρχείο:ι7.png|200px|thumb|left|Εικόνα 7: Οι σχέσεις μεταξύ των NDVI δεδομένων και των εδαφικών παρατηρήσεων. Γραφική αναπαράσταση boxplot για την συσχέτιση μεταξύ των τιμών NDVI και των GLSD συμπτωμάτων για τον Μάιο, Ιούνιο και Ιούλιο του 2012 και του 2013. Το γράφημα δείχνει αρνητική τάση για την NDVI, με μεγαλύτερες τομές για τα υγιή φυτά (C) και μικρότερες τιμές για τα συμπτωματικά φυτά (S) με ενδιάμεσες τιμές για τα ασυμπτωματικά φυτά (Α)]] [[Αρχείο:ι4.png|200px|thumb|left|Εικόνα 4: Ροή της επεξεργασίας εικόνας. Α. Ορατή εικόνα, Β. Πολυφασματική εικόνα, C. NDVI εικόνα, D. Εντοπισμός των σειρών και εξαγωγή των δεδομένων για τα φυτά.]]
-	[[Αρχείο:γ3 (2).png|200px|thumb|right|Πίνακας 3: Αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής.]]	+
-	*Ερμηνεία των χαρτών θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους	+
-	Τα αποτελέσματα των εικόνων με τις θερμοκρασίες της επιφάνειας γης ταξινομήθηκαν χρησιμοποιώντας την τυπική απόκλιση. Η σύγκριση τον αποτελεσμάτων για τις θερμοκρασίες της επιφάνεις της γής κατα τη περίοδο 1984-2013 φαίνεται στον πίνακα 4. Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε μια αρνητική συσχέτιση μεταξύ του ποσοστού των πράσινων περιοχών και θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Από την παραπάνω ανάλυση, θα μπορούσε να βγεί το συμπέρασμα ότι η χρήση γης /κάλυψη γης επηρεάζει τις κατανομές των αστικών θερμικών νησίδων.	+
-	[[Αρχείο:γ4 (2).png|200px|thumb|left|Πίνακας 4: Στατιστικά στοιχεία θερμοκρασιών επιφάνειας εδάφους απο εικόνες Landsat.]]	+
	'''Συμπεράσματα'''		'''Συμπεράσματα'''
-	Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δομημένη περιοχή έχει επεκταθεί δραματικά σε βάρος των καλλιεργούμενων περιοχών, προκαλώντας τεράστιες αλλαγές στην περιοχή μελέτης. Προκειμένου να εφαρμοστούν μέτρα για τον μετριασμό του σχηματισμού αστικών θερμικών νησίδων, είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κατανομή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης στις αστικές περιοχές και να προσδιοριστούν οι περιοχές με μη φυσιολογικά υψηλές θερμοκρασίες. Τέτοιες μελέτες είναι πολύ χρήσιμες σε πόλεις που χαρακτηρίζονται από ξηρό κλίμα. Η χρήση τηλεπισκόπησης παρέχει μια χρονικά και οικονομικά αποδοτική μεθοδολογία για την ανάλυση αυτή.	+	Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται σε αυτήν την μελέτη δίνει νέες δυνατότητες για την χρήση τεχνολογιών τηλεπισκόπησης στην αμπελουργία ακριβείας. Τα χαρακτηριστικά UAV όπως το χαμηλό κόστος, η ικανότητα έγκαιρης παροχής υψηλής ανάλυσης εικόνων παρέχουν δυνατότητα μελέτης και ελέγχου ασθενειών στον σχεδιασμό αμπελώνων. Τα δεδομένα NDVI από 2 καλλιεργητικές εποχές έδειξαν πως τα ασυμπτωματικά φυτά μπορούν να διαχωριστούν από τα υγιή φυτά στο κοντινό μήκος κύματος με το υπέρυθρο (NIR). Ωστόσο επιπλέον πειραματισμός χρειάζεται σε διαφορετικές καλλιεργητικές εποχές και κλιματικές συνθήκες για την επαλήθευση αυτής της υπόθεσης, ώστε να δημιουργηθεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση και αντιμετώπιση ασθενειών.

---

Αναθεώρηση της 02:09, 10 Φεβρουαρίου 2022

Παρακολούθηση ενός αμπελώνα που έχει πληγεί από την ίσκα με χρήση τηλεπισκόπησης μέσω εναέριων μη επανδρωμένων οχημάτων

Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-based remote sensing to monitor grapevine leaf stripe disease within a vineyard affected by esca complex

Συγγραφείς: Salvatore F. di Gennaro, Enrico Batt Isto N., Stefano di Marco, Osvaldo Facini, Alessandro Mate Se, Marco Nocentini, Alberto Palliott and Laura Mugnai

Πηγή: [[1]]

Abstract Συμπτώματα στο φύλλωμα που προκαλούνται από την ασθένεια της ίσκας των αμπελιών συνδέονται με δραστική αλλοίωση της φωτοσυνθετικής λειτουργίας και ενεργοποίηση των μηχανισμών άμυνας στα μολυσμένα αμπέλια, πολλές μέρες πριν τα πρώτα ορατά συμπτώματα στα φύλλα. Η παρούσα μελέτη προτείνει μια μεθοδολογία για την διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ των υψηλής ανάλυσης πολυφασματικών εικόνων που αποκτήθηκαν από εναέριο μη επανδρωμένο όχημα (UAV) και των συμπτωμάτων GLSD που καταγράφονται από επίγειες έρευνες. Οι πολυφασματικές εικόνες υψηλής ανάλυσης αποκτήθηκαν τον Ιούνιο του 2012 και Ιούλιο του 2013, σε έναν πειραματικό αμπελώνα που επηρεάστηκε βαριά από την GLSD και βρίσκεται στην Τοσκάνη της Ιταλίας.

Εισαγωγή Οι μυκητιακές ασθένειες του κορμού είναι από τις πιο δύσκολες ασθένειες του αμπελιού (Di Marco et al,2011a). H ασθένεια της ίσκας των αμπελιών (GLSD) συνδέεται κυρίως με μολύνσεις των αγγείων του ξύλου. Tα πιο γνωστά χαρακτηριστικά της GLSD είναι η απουσία συσχέτισης μεταξύ της σοβαρότητας της επιδείνωσης και της εμφάνισης του ξύλου και της σοβαρότητας των συμπτωμάτων στα φύλλα. Είναι χαρακτηριστικό πως τα συμπτώματα μπορεί να μην εμφανίζονται σε κάθε καλλιεργητική εποχή, ακόμα και αν ένας αμπελώνας έχει εμφανίσει συμπτώματα σε παλιότερα χρόνια, κάτι που καθιστά δυσκολότερο τον εντοπισμό. Κατά συνέπεια η ετήσια παρακολούθηση των συμπτωμάτων των φύλλων είναι ουσιώδης για την εκτίμηση της εξέλιξης στα χρόνια και της απόκτησης σωρευτικών δεικτών για την πραγματική έκταση της ασθένειας. Η ανάπτυξη μη επεμβατικών τεχνικών βασιζόμενες στην οπτική τεχνολογία ανιχνεύουν την ασθένεια μέσω δεδομένων ανάκλασης και δείκτη φασματικής βλάστησης. Πιο συγκεκριμένα ο δείκτης φασματικής ανάκλασης για το πράσινο βρίσκεται στο κόκκινο κανάλι και είναι περισσότερο ευαίσθητος για την χλωροφύλλη, ενώ το υπέρυθρο κανάλι σχετίζεται περισσότερο με την βιομάζα (Blakeman,1990). Σε αυτήν την κατεύθυνση ο δείκτης για την κανονικοποιημένη διαφορά βλάστησης (ΝDVI) είναι μια καλή παράμετρος για την εκτίμηση του περιεχομένου των φύλλων σε χλωροφύλλη και είναι ένας δείκτης της υγείας των φυτών. Ο σκοπός της μελέτης αφορά στην εκτίμηση των σχέσεων μεταξύ του NDVI, των εικόνων υψηλής ανάλυσης από UAV και των μολυσμένων φυτών που καταγράφονται από επίγειες καταγραφές, σε έναν αμπελώνα στην περιοχή Chianti Classico στην Τοσκάνη. Οι χρονιές 2012 και 2013 στις οποίες λήφθηκαν οι εικόνες εμφανίζουν το πλεονέκτημα των σημαντικά διαφορετικών καλοκαιρινών κατακρημνίσεων, κάτι που επηρεάζει την εμφάνιση της ίσκας. Δεύτερος σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας με στόχο την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της χωρικής κατανομής των συμπτωματικών φυτών και στην συνέχεια την δημιουργία ενός μοντέλου πρόβλεψης της έναρξης των συμπτωμάτων της ίσκας.

Μεθοδολογία Η μελέτη διεξήχθη σε ένα αμπελώνα έκτασης 1,22 εκταρίων, που βρίσκεται 150 μέτρα πάνω από την θάλασσα και φυτεύτηκε το 1998 με ποικιλία Cabernet Sauvignon, με τα φυτά να απέχουν 1 μέτρο μεταξύ τους. Οι παρατηρήσεις εδάφους πραγματοποιήθηκαν από τον Μάιο έως και τον Σεπτέμβριο, σε εβδομαδιαία διαστήματα το 2012 και σε μηνιαία διαστήματα το 2013. Η πτήση του UAV έγινε τον Μάιο του 2012 σε πλήρη άνθιση, σε πλήρη καρποφορία τον Ιούνιο του 2012 και τον Ιούνιο του 2013 και στο ξεκίνημα της ωρίμανσης τον Ιούνιο του 2012 και 2013. Οι παρατηρήσεις εδάφους έγιναν από 2 εκπαιδευμένους ερευνητές, οι οποίοι παρατηρούσαν το φύλλωμα του κάθε αμπελιού και ταξινομούσαν τα φυτά σε S= συμπτωματικά με έντονα συμπτώματα, C= αμπέλια ελέγχου που δεν είχαν εμφανίσει πότε συμπτώματα και A= αμπέλια που είχαν εμφανίσει συμπτώματα τα προηγούμενα χρόνια. Οι πολυφασματικές εικόνες αποκτήθηκαν από UAV που πετούσε στα 150 μέτρα με ταχύτητα 4 m/s, με την κάμερα να καταγράφει την ανάκλαση από τη βλάστηση για την εξαγωγή πολλαπλών δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI.

Αποτελέσματα

Με την συνδυαστική χρήση της τηλεπισκοπικής χρήσης των UAV και των διαφορικών GPS, δημιουργήθηκαν χάρτες του δείκτη NDVI σε υψηλή ανάλυση (0.05 m/pixels) που επιτρέπουν ακριβείς αναλύσεις σε επίπεδο φυτού. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε στο Matlab επέτρεψε την ακριβή αναγνώριση των σειρών (εικόνα 4) και την εξαγωγή δεδομένων από κάθε φυτό στον χάρτη NDVI. H στοματική αγωγιμότητα των φυτών ήταν σημαντικά μικρότερη στα ασυμπτωματικά φυτά σε σχέση με τα φυτά ελέγχου, ενώ οι θερμοκρασίες των φύλλων στα ασυμπτωματικά φυτά ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από τα φυτά ελέγχου (εικόνα 5). Ανάλυση στα μήκη των μοσχευμάτων έδειξε πως αυτά ήταν σημαντικά μεγαλύτερα στα φυτά ελέγχου (49.7 cm +/- 3.9) σε σχέση με αυτά των ασυμπτωματικών φυτών (46.1 cm +/- 3.6). H εικόνα 7 παρουσιάζει τις τιμές NDVI από 3 κατηγορίες αμπελιών (C,A και S) για το 2012 και το 2013 επιβεβαιώνοντας τα παραπάνω δεδομένα. Μεγαλύτερες τιμές NDVI καταγράφηκαν για τα υγιή αμπελιά και μικρότερες τιμές NDVI για τα συμπτωματικά αμπέλια. Η μέθοδος ANOVA έδειξε πως η χρήση των UAV ξεχώρισε σωστά (P<0.05) τα υγιή φυτά από τα ασυμπτωματικά και τα συμπτωματικά (P<0.05), αλλά ακόμα και τα ασυμπτωματικά από τα συμπτωματικά για κάθε χρονιά και σε διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες. Ακόμα σημαντικότερο είναι πως η τηλεπισκοπική μέθοδος μπόρεσε να ξεχωρίσει τα φαινομενικά υγιή φυτά που θα εμφάνιζαν συμπτώματα τις επόμενες λίγες εβδομάδες.

Συμπεράσματα Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται σε αυτήν την μελέτη δίνει νέες δυνατότητες για την χρήση τεχνολογιών τηλεπισκόπησης στην αμπελουργία ακριβείας. Τα χαρακτηριστικά UAV όπως το χαμηλό κόστος, η ικανότητα έγκαιρης παροχής υψηλής ανάλυσης εικόνων παρέχουν δυνατότητα μελέτης και ελέγχου ασθενειών στον σχεδιασμό αμπελώνων. Τα δεδομένα NDVI από 2 καλλιεργητικές εποχές έδειξαν πως τα ασυμπτωματικά φυτά μπορούν να διαχωριστούν από τα υγιή φυτά στο κοντινό μήκος κύματος με το υπέρυθρο (NIR). Ωστόσο επιπλέον πειραματισμός χρειάζεται σε διαφορετικές καλλιεργητικές εποχές και κλιματικές συνθήκες για την επαλήθευση αυτής της υπόθεσης, ώστε να δημιουργηθεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση και αντιμετώπιση ασθενειών.