Ανασκόπηση των σημερινών και πιθανά μελλοντικών εφαρμογών της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος Πρωτοτύπου: An overview of current and potential applications of thermal remote sensing in precision agriculture
Πηγή:ScienceDirect [1]
Συγγραφείς: Sami Khanal, John Fulton, Scott Shearer
Λέξεις κλειδιά: Γεωργία ακριβείας, Παρακολούθηση, Τηλεπισκόπηση, Θερμική ανίχνευση
Περίληψη
Στο άρθρο γίνεται ανασκόπηση των εφαρμογών θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας. Περιγράφονται οι ήδη υπάρχουσες εφαρμογές, αλλά και ορισμένες που πιθανόν να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά, και γίνεται αναφορά σε περιορισμούς στις δυνατότητές τους.
Εισαγωγή
Η Γεωργία Ακριβείας είναι η διαχείριση της ποικιλότητας που παρουσιάζουν οι καλλιέργειες στο χώρο και το χρόνο, με τη χρήση εργαλείων και τεχνολογιών, με σκοπό να βελτιωθούν οι καλλιεργητικές πρακτικές που εφαρμόζονται, να αυξηθεί η απόδοση, να βελτιστοποιηθούν οι εισροές (νερό, λιπάσματα, φυτοπροστατευτικά προϊόντα) και να μειωθεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Με την Γεωργία Ακριβείας μπορεί να δοθεί λύση απέναντι στην υποβάθμιση της ποιότητας των επιφανειακών και υπόγειων νερών, στην αυξανόμενη τιμή των εδαφοβελτιωτικών – λιπασμάτων και στην απαίτηση για την αύξηση κατά 50 – 70% της αγροτικής παραγωγής τροφίμων με τη χρήση των ελάχιστων κατά το δυνατό φυσικών πόρων.
Η τηλεπισκόπηση στη γεωργία ακριβείας χρησιμοποιείται για την συλλογή και ανάλυση πληροφοριών για τις καλλιέργειες και τα χαρακτηριστικά του εδάφους, χρησιμοποιώντας αισθητήρες που βρίσκονται σε δορυφόρους, αεροπλάνα ή σε εξοπλισμό εδάφους. Οι αισθητήρες μετρούν την ενέργεια που ανακλάται (ορατό και εγγύς υπέρυθρο NIR), εκπέμπεται (θερμικό υπέρυθρο, TIR) ή εκτρέπεται (μικροκύματα) από μια επιφάνεια ή την ατμόσφαιρα σε διαφορετικές φασματικές περιοχές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Ένα κοινά χρησιμοποιούμενο σύστημα τηλεπισκόπησης στην γεωργία είναι η οπτική τηλεπισκόπηση. Χρησιμοποιεί το ορατό, το εγγύς υπέρυθρο (NIR) και το μέσο υπέρυθρο (SWIR) για να δημιουργήσει εικόνες της επιφάνειας της γης μετρώντας την ενέργεια που ανακλάται από την επιφάνεια - στόχο. Όμως, η οπτική τηλεπισκόπηση εμφανίζει έναν σημαντικό περιορισμό ώστε να μην είναι κατάλληλη για την γεωργία ακριβείας: δεν μπορεί να αναγνωρίσει τις πιέσεις που δέχονται οι καλλιέργειες, αλλά μόνο αναγνωρίζει τα συμπτώματα μόλις αυτά εκδηλωθούν.
Αντίθετα, η θερμική τηλεπισκόπηση έχει βρεθεί ότι είναι ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την γεωργία ακριβείας. Μετρώντας την επιφανειακή θερμοκρασία των καλλιεργειών, η θερμική τηλεπισκόπηση μπορεί να αναγνωρίσει τις πιέσεις στις καλλιέργειες πολύ πριν εκδηλωθούν τα πρώτα αρνητικά συμπτώματα. Μέχρι πρόσφατα, η διαθεσιμότητα υψηλής ανάλυσης θερμικών εικόνων ήταν περιορισμένη εξαιτίας του υψηλού κόστους απόκτησής τους. Με δεδομένο τις πρόσφατες εξελίξεις στα μη επανδρωμένα αέρια οχήματα (UAV’s), οι θερμικές εικόνες με υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση, έχουν γίνει διαθέσιμες σε χαμηλό κόστος, και έχουν δώσει αρκετές δυνατότητες ώστε να κατανοήσουμε την ποικιλότητα των καλλιεργειών και των συνθηκών του εδάφους, δεδομένα χρήσιμα για τη λήψη αποφάσεων στον αγρονομικό τομέα.
Η θερμική τηλεπισκόπηση μετρά την ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός αντικειμένου και την μετατρέπει σε θερμοκρασία χωρίς να έρχεται σε επαφή με το αντικείμενο. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο εντονότερη είναι η ακτινοβολία που εκπέμπεται. Έτσι, η θερμική τηλεπισκόπηση παρέχει σημαντικές μετρήσεις ενεργειακών ροών και θερμοκρασιών από την επιφάνεια της γης, οι οποίες είναι επαρκείς για να κατανοήσουμε τις διεργασίες και αποκρίσεις του φυσικού τοπίου.
Γενικά, η επιφανειακή θερμοκρασία των καλλιεργειών εξαρτάται από τον ρυθμό διαπνοής. Ο ρυθμός διαπνοής εξαρτάται από την ικανότητα εξάτμισης και τη διαθεσιμότητα νερού στο έδαφος των καλλιεργειών. Οι πιέσεις όπως π.χ η έλλειψη νερού, η έλλειψη θρεπτικών συστατικών, τα ζιζάνια, επηρεάζουν την επιφανειακή θερμοκρασία των καλλιεργειών, η οποία μπορεί να μετρηθεί κατά τη διάρκεια κρίσιμων φαινολογικών σταδίων.
Εφαρμογές θερμικής τηλεπισκόπησης στον αγροτικό τομέα
Προγραμματισμός άρδευσης Η ανάγκη άρδευσης καθορίζεται από τέσσερις παράγοντες: την διαθεσιμότητα νερού στο έδαφος, την ανάγκη της καλλιέργειας για νερό, την ποσότητα βροχόπτωσης και την αποδοτικότητα του συστήματος άρδευσης. Υπάρχουν αρκετές παράμετροι για την ποσοτικοποίηση αυτών των παραγόντων όπως οι μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας, η θερμοκρασία των φυτών, η εξατμισοδιαπνοή. Πολλές μελέτες έχουν εξετάσει την πιθανότητα χρήσης θερμικών εικόνων από δορυφόρους σαν εργαλείο για τη μέτρηση αυτών των παραμέτρων.
Μέτρηση εδαφικής υγρασίας. Η βλάστηση που υπόκεινται σε έλλειψη νερού συχνά εμφανίζει αύξηση στην ακτινοβολούμενη θερμοκρασία σε σχέση με τη βλάστηση που είναι καλά αρδευόμενη. Οι Shafian and Maas (2015) χρησιμοποιώντας ψηφιακά δεδομένα στο κανάλι κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο και στα θερμικά κανάλια από εικόνες του δορυφόρου Landsat, έδειξαν ότι μπορεί να γίνει εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας.
Απαίτηση νερού των καλλιεργειών. Οι Jackson et al (1981) ανέπτυξαν το Δείκτη Απαίτησης Νερού των Καλλιεργειών (Crop Water Stress Index, CWSI) ώστε να διαπιστωθεί η ανάγκη άρδευσης. Αρκετές μελέτες έχουν υπολογίσει το δείκτη CWSI και έχουν καταλήξει στα ίδια αποτελέσματα, χρησιμοποιώντας θερμικές εικόνες από δορυφόρους.
Εξατμισοδιαπνοή και έλεγχος ξηρασίας. Υψηλή εξατμισοδιαπνοή μειώνει την επιφανειακή θερμοκρασία των καλλιεργειών. Οι Burbagallo et al (2009) μέτρησαν την εξατμισοδιαπνοή στο πεδίο και στη συνέχεια με θερμικές εικόνες από δορυφόρους και έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις ήταν ίδιες και στις δύο περιπτώσεις. Επίσης, μελέτες έχουν δείξει ότι με θερμικές εικόνες από δορυφόρους μπορεί να γίνει αξιόπιστη εκτίμηση δεικτών όπως του Δείκτη Υγιούς Βλάστησης (Vegetation Health Index, VHI) και του Δείκτη Εξάτμισης (Evaporative Stress Index, ESI) που δίνουν ενδείξεις ξηρασίας.
Διάγνωση φυτικών ασθενειών Οι ασθένειες των φυτών συχνά επηρεάζουν τον ρυθμό διαπνοής και την κυκλοφορία νερού στους φυτικούς ιστούς. Οι Chaerle et al. (2004) ανέφεραν αλλαγές στις επιφανειακές θερμοκρασίες των καλλιεργειών εξαιτίας μολύνσεων από παθογόνα μικρόβια ή των αμυντικών μηχανισμών των φυτών, πριν ακόμη εκδηλωθούν τα συμπτώματα της ασθένειας. Οι θερμικές εικόνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να εκτιμήσουν περιβαλλοντικές συνθήκες που ευνοούν την ανάπτυξη μολύνσεων των φυτών, όπως είναι η διάρκεια των υγρών περιόδων.
Χαρτογράφηση της υφής του εδάφους Η υφή του εδάφους καθορίζει την δυνατότητα συγκράτησης νερού και επομένως επηρεάζει την επιφανειακή θερμοκρασία των καλλιεργειών. Με τη χρήση των θερμικών εικόνων τηλεπισκόπησης μπορεί να γίνει χαρτογράφηση της υφής του εδάφους. Οι Wang et al (2015) χρησιμοποιώντας εικόνες από το δορυφόρο MODIS παρήγαγαν χάρτες χωρικής κατανομής της υφής του εδάφους στην πεδιάδα του ποταμού Yangtze – Huai στην Ανατολική Κίνα.
Χαρτογράφηση του αποστραγγιστικού δικτύου Έχει παρατηρηθεί διαφορά επιφανειακής θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους που αποστραγγίζεται μέσω δικτύου και του εδάφους που αποστραγγίζεται φυσικά. Οι διαφορετικές θερμοκρασίες οι οποίες αποτυπώνονται στις θερμικές εικόνες δορυφόρων μπορεί να βοηθήσουν την καλύτερη χαρτογράφηση του αποστραγγιστικού δικτύου. Χαρτογράφηση της ωρίμανσης της γεωργικής παραγωγής Για τις περισσότερες καλλιέργειες, ο ρυθμός αναπνοής μειώνεται καθώς η παραγωγή φτάνει στο στάδιο ωρίμανσης σε σύγκριση με το στάδιο ανάπτυξης. Λιγότερη αναπνοή οδηγεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Έτσι, χρησιμοποιώντας θερμικές εικόνες, μπορεί να αναγνωριστεί το στάδιο της ανάπτυξης από το στάδιο της ωρίμανσης.
Χαρτογράφηση της απόδοσης της καλλιέργειας: Μέχρι σήμερα, έχουν πραγματοποιηθεί λίγες μελέτες για την χαρτογράφηση με θερμικές εικόνες της απόδοσης μιας καλλιέργειας. Οι Bulanon et al (2008) έδειξαν ότι με τη χρήση θερμικών εικόνων μπορούν να διακριθούν οι καρποί των εσπεριδοειδών από το υπόβαθρο. Έδειξαν ότι τη νύχτα οι καρποί έχουν κατά 1,6οC υψηλότερη θερμοκρασία από τα φύλλα, ενώ κατά τη διάρκεια της ημέρας, η θερμοκρασία διαφέρει λιγότερο, περίπου 0,5οC.
Παρόλο που η θερμική τηλεπισκόπηση βρίσκει σημαντικές εφαρμογές στη γεωργία ακριβείας υπάρχουν και κάποιοι περιορισμοί που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη όπως:
1. Η χωρική και χρονική ανάλυση των εικόνων. Στις θερμικές εικόνες από δορυφόρους, το μέγεθος των εικονοστοιχείων (pixels) είναι μεγαλύτερο από ένα αγροτεμάχιο και στις περιπτώσεις αυτές δεν υπάρχει η δυνατότητα αξιοποίησης των εικόνων από τους γεωργούς για τη λήψη αποφάσεων. Για παράδειγμα, κάποιοι θερμικοί αισθητήρες που είναι τοποθετημένοι σε δορυφόρους με ημερήσιες λήψεις όπως οι MODIS, GOES, AVHRR, παρέχουν εικόνες με ανάλυση 1000 -4400m ενώ οι εικόνες στο ορατό, το εγγύς υπέρυθρο και το μέσο κοντινό υπέρυθρο έχουν ανάλυση 250 – 1000m. Σε ορισμένους δορυφόρους έχουν γίνει βελτιώσεις των θερμικών αισθητήρων π.χ Landsat 7 ΕΤΜ ανάλυση 60m, Landsat 8 ανάλυση 100m, ASTER ανάλυση 90m) αλλά οι δορυφόροι αυτοί επαναλαμβάνουν τις λήψεις κάθε 16 ημέρες. Για έναν γεωργό, η χαμηλή χωρική ανάλυση και χρονική συχνότητα αποτελούν σημαντικούς περιορισμούς.
2. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες
3. Η γωνία θέασης και το υψόμετρο των θερμικών αισθητήρων και
4. Το στάδιο ανάπτυξης των καλλιεργούμενων φυτών και η ποικιλία των φυτικών ειδών που υπάρχουν στην καλλιέργεια.
Συμπέρασματα:
Η θερμική τηλεπισκόπηση βρίσκει πολλές εφαρμογές στη γεωργία ακριβείας αλλά υπάρχουν ακόμη αρκετοί περιορισμοί. Στο μέλλον, η εξέλιξη της τεχνολογίας των μη επανδρωμένων αέριων οχημάτων (UAV) πρόκειται να αυξήσει τη χρήση τους στη γεωργία ακριβείας σε σχέση με τους δορυφόρους και τα αεροπλάνα.
