Τηλεπισκόπηση, γεωφυσική και μοντελοποίηση για την υποστήριξη της γεωργίας ακριβείας - Μέρος 2ο : Διαχείριση άρδευσης

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 18:10, 9 Φεβρουαρίου 2023

Πρωτότυπος τίτλος: Remote Sensing, Geophysics, and Modeling to Support Precision Agriculture—Part 2: Irrigation Management

Συγγραφείς: Alfarhan M. 5, Dokou Z. 4, Doula M. 3, Kirmizakis P. 1, Kourgialas N. 2, Makkawi M. 1, Pradipta A. 1, Soupios P. 1, Tawabini B. 1, Yassin M. 6

1 Department of Geosciences, College of Petroleum Engineering & Geosciences, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran 31261, Saudi Arabia

2 Lab. of Water Resources, Irrigation & Env. Geoinformatics, Institute of Olive Tree, Subtropical Plants and Viticulture, Hellenic Agricultural Organization (ELGO Dimitra), 73100 Chania, Greece

3 Laboratory of Non-Parasitic Diseases, Benaki Phytopathological Institute, 14561 Athens, Greece

4 Department of Civil and Environmental Engineering, California State University, Sacramento, CA 90032, USA

5 Remote Sensing Lab, College of Petroleum Engineering & Geosciences, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran 31261, Saudi Arabia

6 Interdisciplinary Research Center for Membranes and Water Security, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran 31261, Saudi Arabia

Δημοσιεύθηκε: Water Journal, 1 Απριλίου 2022

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [[1]]

Λέξεις-κλειδιά: άρδευση, ανάπτυξη καλλιέργειας, γεωργία ακριβείας, τηλεπισκόπηση, αγροτική γεωφυσική, γεωργική μοντελοποίηση

Εικόνα 1. Διάγραμμα ροής των γεωργικών υπηρεσιών ακριβείας για την υποστήριξη της ορθής διαχείρισης της άρδευσης.

Εικόνα 2. Σύντομη επισκόπηση των διαφόρων μεθόδων και προϊόντων που βασίζονται στην τηλεπισκόπηση για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής πάνω από αρδευόμενες περιοχές.

Εικόνα 3. Επισκόπηση πολυάριθμων προϊόντων τηλεπισκόπησης και τύπων αισθητήρων για την εκτίμηση της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας και της εδαφικής υγρασίας της ζώνης ριζών.

Εικόνα 4. Επισκόπηση πολυάριθμων προϊόντων τηλεπισκόπησης και τύπων αισθητήρων για την εκτίμηση της χλωροφύλλη των καλλιεργειών, τον δείκτη επιφάνειας του φύλλου και την περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό.

Εικόνα 5. Διάφορες γεωφυσικές μέθοδοι για τον χαρακτηρισμό της διαθεσιμότητας αλλά και της δυναμικής του νερού που υπάρχει μεταξύ της επιφάνειας και του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα.

Εικόνα 6. Επισκόπηση των διαφόρων εφαρμογών υδρολογικών, καλλιεργητικών και συζευγμένων μοντέλων για τη γεωργικές πρακτικές.

Εισαγωγή

Επειδή απαιτούνται μεγάλες ποσότητες γλυκού νερού για την ενίσχυση της απόδοσης των καλλιεργειών, η άρδευση είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της επισιτιστικής ασφάλειας. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η αρδευόμενη γεωργία είναι υπεύθυνη για περίπου70% της απόληψης γλυκού νερού, το 90% της κατανάλωσης νερού και το 40% της παραγωγής τροφίμων. Ωστόσο, η αποδοτικότητά της θεωρείται χαμηλή, καθώς μόνο το 55% της απόληψης γλυκού νερού καταναλώνεται από την καλλιέργεια. Το παραπάνω γεγονός οδηγεί στην εξάντληση του επιφανειακού και υπόγειου νερού. Ως εκ τούτου, χωρίς κατάλληλες τεχνικές και πρακτικές διαχείρισης του αρδευτικού νερού και χωρίς λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της κλιματικής αλλαγής, η διατήρηση του γλυκού νερού και τη μελλοντική παραγωγή τροφίμων θα απειληθεί. Η καλή κατανόηση της σχέσης μεταξύ της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό και της φυτών είναι απαραίτητη, καθώς η ανάπτυξη της καλλιέργειας εξαρτάται από τα αποθέματα και τη χρήση του γλυκού νερού. Η απαίτηση σε νερό άρδευσης μπορεί να ποικίλλει διότι οι ιδιότητες του εδάφους, του νερού και των φυτών δεν θεωρούνται στατικές παράμετροι, αλλά συνεχώς μεταβάλλονται με την πάροδο του χώρου και του χρόνου. Συνεπώς, η τακτική παρακολούθηση της διαθεσιμότητας του εδαφικού νερού και της της ανάπτυξης των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την καθιέρωση της άρδευσης ακριβείας. Στις μέρες μας, η τηλεπισκόπηση, η γεωφυσική και η αγροϋδρολογική μοντελοποίηση εφαρμόζονται ευρέως ως εργαλεία λήψης αποφάσεων για τη διαχείριση του αρδευτικού νερού σε συγκεκριμένες περιοχές. Οι δυναμικές διεργασίες στο συνεχές έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα, καθώς και οι φυσικές ιδιότητες του φυτού, όπως η εδαφική υγρασία (SM), η απορρόφηση νερού από τις ρίζες (RWU), η εξατμισοδιαπνοή (ET), η χλωροφύλλη της καλλιέργειας, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) και η περιεκτικότητα του φυτού σε νερό, θα μπορούσαν να ανακτηθούν μέσω τηλεπισκόπησης ή γεωφυσικής λήψης. Με τη σειρά τους, τα δεδομένα αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως εισροές για αγροϋδρολογική μοντελοποίηση προκειμένου να παρέχεται εκτίμηση των απαιτήσεων των καλλιεργειών σε νερό για βέλτιστες αποδόσεις.

Μεθοδολογία

Ανάλογα με το πρόβλημα που αντιμετωπίζεται λαμβάνονται οι ανάλογες φωτογραφίες από τις ανάλογες πλατφόρμες ώστε να γίνεται σωστή εφαρμογή. Για τη γεωργία ακριβείας, το εύρος της χωρικής ανάλυσης πρέπει να είναι από 0,1 m έως 10 m, και η χρονική ανάλυση θα πρέπει να είναι τουλάχιστον μερικές ημέρες.

-Για την εξατμισοδιαπνοή των φυτών στις αρδευόμενες περιοχές χρησιμοποιούμε τις μεθόδους και τα υλικά που παρατίθενται στον πίνακα της Εικόνας 2.

-Για την υγρασία του εδάφους στις αρδευόμενες περιοχές χρησιμοποιούμε τις μεθόδους και τα υλικά που παρατίθενται στον πίνακα της Εικόνας 3.

-Για την χλωροφύλλη των καλλιεργειών, τον δείκτη επιφάνειας του φύλλου και την περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό χρησιμοποιούμε τις μεθόδους και τα υλικά που παρατίθενται στον πίνακα της Εικόνας 4.

-Για τον χαρακτηρισμό της διαθεσιμότητας αλλά και της δυναμικής του νερού που υπάρχει μεταξύ της επιφάνειας και του υπόγειου υδροφόρου ορίζονται χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι που παρατίθενται στον πίνακα της Εικόνας 5.

-Τέλος χρησιμοποιούνται διάφορα μοντέλα άρδευσης και καλλιέργειας για την υποστήριξη της γεωργίας ακριβείας. Οι εφαρμογές τους παρατίθενται στον πίνακα της Εικόνας 6.

Συζήτηση

Η οπτική (Vis, NIR, SWIR), θερμική, ενεργή και παθητική τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων έχουν αποδειχθεί βιώσιμες προσεγγίσεις για την υποστήριξη της άρδευσης ακριβείας, από την τοπική έως την παγκόσμια κλίμακα. Παρά την παροχή εικόνων υψηλής ανάλυσης, η ικανότητα των οπτικών δορυφορικών απόκτησης περιορίζεται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και τον ηλιακό φωτισμό. Η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων έχει τη δυνατότητα να συμπληρώσει τη συμβατική τεχνική τηλεπισκόπησης στην παρακολούθηση της άρδευσης. Ωστόσο, για ένα εύρος διαμορφώσεων του συστήματος, ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της βλάστησης λόγω των πρακτικών άρδευσης και η παρατήρηση, εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση. Ακόμη και το αν και κάθε αισθητήρας (οπτικός, μικροκυματικός και θερμικός) έχει τους δικούς του περιορισμούς στη γεωργική παρακολούθηση, είναι συμπληρωματικοί μεταξύ τους- συνεπώς, μπορούν να ενσωματωθούν μαζί για καλύτερα αποτελέσματα. Η γεωφυσική έρευνα προσφέρει χαρακτηρισμό του εδάφους σε στη ζώνη μεταξύ της επιφάνειας του εδάφους και του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα, με γρήγορο, αξιόπιστο και οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Επιπλέον, η γεωργική μοντελοποίηση θα ξεπεράσει το ανεπαρκές σύνολο δεδομένων για τις γεωργικές εκμεταλλεύσεις που απαιτούνται σε χώρο και χρόνο για την ενίσχυση της διαχείρισης των γεωργικών εκμεταλλεύσεων.

Συμπεράσματα

Η τεράστια πρόοδος της τηλεπισκόπησης στις γεωργικές μελέτες την έχει καθιερώσει ως προηγμένη τεχνική. Η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης θα αποτελέσει πιθανώς μια τυπική προσέγγιση στη γεωργική πρακτική στο μέλλον. Οι εφαρμογές της για την παρακολούθηση των μεταβλητών στη συνέχεια εδάφους-φυτών-ατμόσφαιρας περιλαμβάνουν -αλλά δεν περιορίζονται σε αυτές- την υφή του εδάφους, τη δομή του εδάφους, τη συμπίεση του εδάφους, την εδαφική υγρασία , την απορρόφηση νερού από τις ρίζες, την εξατμισοδιαπνοή των φυτών, τη χλωροφύλλη των καλλιεργειών, τον δείκτη επιφάνειας φύλλου και την περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό. Η τακτική παρακολούθηση αυτών των μεταβλητών είναι απαραίτητη για την τη βελτίωση της αποδοτικότητας της χρήσης του νερού άρδευσης και την πρόβλεψη της καλλιέργειας στο τέλος της περιόδου απόδοσης της καλλιέργειας ως μέρος της γεωργίας ακριβείας. Σε επίπεδο αποφάσεων, η οριοθέτηση της ζώνης εκμετάλλευσης με βάση τις πληροφορίες που ανακτώνται από την τηλεπισκόπηση σε συνάρτηση με τη γεωφυσική έρευνα και την γεωργική μοντελοποίηση, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους γεωργούς να διαχειριστούν πολύτιμους πόρους και να βελτιστοποιήσουν την παραγωγικότητα των καλλιεργειών παρέχοντας την πραγματική απαίτηση σε νερό που χρειάζονται το έδαφος και το φυτό. Οι μελλοντικές εξελίξεις αναμένεται να βελτιώσουν τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και να μειωθεί το κόστος απόκτησης έτσι, τα πιο σημαντική οφέλη της τηλεπισκόπησης για γεωργικές εφαρμογές μπορούν να επιτευχθούν. Καθώς η έννοια της γεωργίας ακριβείας συνδέεται άμεσα με τις χωρικές και χρονικές διακυμάνσεις των ιδιοτήτων του εδάφους και των φυτών, η κατανόηση αυτών των παραμέτρων θα παρέχει μια στέρεη βάση για την ανάπτυξη των γεωργικών εκμεταλλεύσεων, προκειμένου να επιτευχθεί ο απώτερος στόχος της βέλτιστη γεωργική διαχείριση.