Επιδράσεις από τα υπολείμματα των καλλιεργητικών τεχνικών στον LAI για την εκτίμηση της κάλυψης των σιτηρών χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση.

Από RemoteSensing Wiki

Εισαγωγή

Πολλές έρευνες έχουν διεξαχθεί προκειμένου να μειωθούν τα επίπεδα παρεμβολής του εδάφους στην τηλεπισκόπηση της βλάστησης και επομένως να υπολογίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια και να προβλέπονται καλύτερα οι βιοφυσικές παράμετροι για την ανάπτυξη διαφόρων ειδών των δεικτών βλάστησης. Ωστόσο οι μελέτες που έχουν γίνει για να μελετήσουν την επίδραση της κάλυψης των φυτικών υπολειμμάτων σχετικά με τον δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της τηλεπισκόπησης, είναι λίγες. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο WinSail σε συνδυασμό με μετρήσεις εδάφους, η παρούσα μελέτη σκοπό είχε να ποσοτικοποιήσει τις διαφορές στη φασματική ανακλαστικότητα. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι δείκτες βλάστησης βασιζόμενοι στο δείκτη (NDVI και RVI), στο έδαφος (TSAVI and SAVI2) και υπερφασματικοί (dRE and REIP). Οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιούνται σε καλλιέργειες σιτηρών με γυμνό έδαφος και σε υπολείμματα ρυζιού ως υποβαθρα και για να εντοπίσουν τους δείκτες βλάστησης οι οποίοι αναπαριστούν τον καλύτερο συνδυασμό μειωμένης ευαισθησίας της κάλυψης από φυτικά υπολείμματα και την υψηλή ευαισθησία στη διακύμανση του LAI.

Προηγούμενες Μέθοδοι

Η περιστροφή του ρυζιού (Oryza sativa L.) και του σιταριού (Triticum aestivum L) αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα συστήματα γεωργικής παραγωγής στον κόσμο και εφαρμόζεται ευρέως κατά μήκος του ποταμού Yangtze στην Κίνα, όπου καταλαμβάνει συνολική έκταση περίπου 13 εκατομμύρια εκτάρια και συμβάλει στο 72% της συνολικής παραγωγής σιτηρών. Πρακτικές οργώματος που συντηρούν ένα κάλυμμα των υπολειμμάτων των καλλιεργειών στην επιφάνεια του εδάφους και είτε μειώνουν την ποσότητα του οργώματος ή την εξαλείφουν εντελώς (ακατεργασία) έχουν υποστηριχθεί σθεναρά σε αυτούς τους τομείς από το 1990, λόγω των οικολογικών και οικονομικών ωφελειών. Κάποιοι αγρότες δοκιμάζουν σπορά στα πεταχτά του σιταριού πριν από τη συγκομιδή του ρυζιού σε ακαλλιέργητα εδάφη ως μέρος της συντηρητικής κατεργασίας του εδάφους. Τα χωράφια με το σιτάρι αποτελούν αντικείμενο της παρούσας μεθόδου σποράς και βιώνουν σχετικά υψηλή κάλυψη των υπολειμμάτων των καλλιεργειών. Ωστόσο, άλλοι αγρότες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν εντατική κατεργασία της γης αντί ακατεργασία. Ή επίσης μειωμένες πρακτικές οργώματος με αποτέλεσμα τη σχεδόν απουσία υπολειμμάτων ρυζιού στην επιφάνεια του εδάφους. Για παράδειγμα, ορισμένοι γεωργοί υιοθετούν μεθόδους σποράς στα πεταχτά ή τρύπημα του σιταριού σε εντατικά καλλιεργημένα εδάφη, όπου τα περισσότερα από τα υπολείμματα διατηρούνται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Ορισμένοι αγρότες έχουν καθαρίσει τα χωράφια τους ακόμα και με τη μέθοδο της καύσης ή και με ολική αφαίρεση του άχυρου αντί της επιστροφής του στο έδαφος. Ως αποτέλεσμα, το ποσοστό της επιφάνειας του εδάφους καλύπτεται από υπολείμματα καλλιεργειών ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό μεταξύ των χωραφιών που καλλιεργούνται από διαφορετικά άτομα. Λόγω της διαφορετικής φασματικής – ραδιομετρικής αλληλεπίδρασης μεταξύ χώματος και υπολειμμάτων καλλιεργειών, μεταβολή στην κάλυψη των καταλοίπων των καλλιεργειών ως αποτέλεσμα των πρακτικών οργώματος το οποίο θα αλλάξει αναγκαστικά τα φασματικά χαρακτηριστικά του υποβάθρου των καλλιεργειών. Τελευταίες Μέθοδοι

Πολλοί δείκτες βλάστησης έχουν αναπτυχθεί τις τελευταίες τρεις δεκαετίες για τον υπολογισμό των παραμέτρων των φυτών από εικόνες τηλεπισκόπησης, με πολλές από αυτές να έχουν σχεδιαστεί για να βοηθήσουν τη μείωση των παρεμβολών από το υπόβαθρο ή από άλλους πόρους. Αυτές περιλαμβάνουν δείκτες βλάστησης, αναλογικούς, προσαρμοσμένους στο έδαφος και υπερφασματικούς. Αναλογικοί δείκτες βλάστησης όπως οι NDVI RVI, φαίνεται να επηρεάζονται από τις φασματικές ιδιότητες του υποβάθρου, ιδίως σε χαμηλά επίπεδα της φυτοκάλυψης. Ο περιορισμός αυτός μπορεί εν μέρει να αντισταθμίζεται από προσαρμοσμένους στο έδαφος δείκτες βλάστησης (ορθογώνιοι δείκτες βλάστησης) όπως TSAVI και SAVI2, οι περισσότεροι από τους οποίους αναπτύχθηκαν για να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις στο έδαφος που σχετίζονται με τη φωτεινότητα. Οι προσαρμοσμένοι στο έδαφος δείκτες βλάστησης αντισταθμίζουν το φόντο, το οποίο μπορεί να αποτελέσει την πλειοψηφία της περιοχής μελέτης. Ωστόσο οι δείκτες αυτοί απαιτούν εκ των προτέρων γνώση των παραμέτρων της γραμμής του εδάφους (ή φόντο της γραμμής, δηλαδή τη γραμμή παλινδρόμησης μεταξύ της κόκκινης και της υπέρυθρης NIR ζώνης). Λόγω της σημαντικής διαφοράς μεταξύ του εδάφους και των γραμμών των υπολειμμάτων, μπορεί να είναι δύσκολο να ληφθεί μία αντιπροσωπευτική γραμμή εδάφους, σε περιοχές με διαφορετικές πρακτικές οργώματος, η οποία μπορεί να περιορίσει σε μεγάλο βαθμό την αποτελεσματικότητα του προσαρμοσμένου στο έδαφος δείκτη βλάστησης. Υπερφασματικοί δείκτες βλάστησης όπως οι REIP και Dre έχουν αποδειχθεί ότι έχουν καλύτερες επιδόσεις από πολυφασματικούς δείκτες βλάστησης στη μείωση της επίδρασης του φόντου. Επιπλέον, πολυάριθμοι δείκτες βλάστησης και φασματικές τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί ειδικά για να διερευνηθούν οι συνθήκες κάλυψης των υπολειμμάτων των καλλιεργειών. Ωστόσο, λίγες μελέτες έχουν εστιάσει στην αξιολόγηση της επίδρασης της κάλυψης των υπολειμμάτων για την εκτίμηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI από τηλεπισκοπικές εικόνες. Ο LAI συνήθως χρησιμοποιείται για την παραγωγική οικολογία, ως μέτρο της ανάπτυξης των καλλιεργειών, αλλά η εκτίμηση των παραμέτρων της καλλιέργειας όπως ο LAI από τους δείκτες βλάστησης μπορεί να επηρεαστεί από τη διαταραχή που προκύπτει από τις πρακτικές που διαφοροποιούν την κάλυψη των καταλοίπων των καλλιεργειών. Αυτές οι διαταραχές μπορούν να αναγνωριστούν εξετάζοντας τη διαφορά μεταξύ του εδάφους και της φωτεινότητας των υπολειμμάτων, καθώς και τη διαφορά μεταξύ του εδάφους και των γραμμών των υπολειμμάτων. Υλικά και Μέθοδοι

1.1 Πεδίο έρευνας

Δεδομένα αποκτήθηκαν για χειμερινά χωράφια με το σιτάρι σε μία περιοχή που βρίσκεται στο Zhangjiagang, Changshu και Tongzhou 180 χιλιόμετρα νοτιοανατολικά της Nanjing City, επαρχία Jiangsu, Κίνα. Ένα σύνολο από 65 χωράφια με σιτάρι, μεταξύ των οποίων 42 εντατικά καλλιεργήσιμα χωράφια και 23 ακαλλιέργητα, επιλέχθηκαν για την έρευνα. Κάθε χωράφι ήταν περισσότερο από 120m*120m σε μέγεθος και οι θέσεις τους προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας ένα GPS. 1.2 Τηλεπισκοπική εικόνα και οι υπολογισμοί

Μια υπερφασματική Hyperion εικόνα της περιοχής μελέτης αποκτήθηκε το μεσημέρι στις 13 Ιανουαρίου 2009, για να παρέχει εξ αποστάσεως τα ανιχνευθέντα δεδομένα σε φασματική ανάκλαση και μας επιτρέπουν να υπολογίζουν αρκετά κοινούς δείκτες βλάστησης.. Η εικόνα ήταν προ-επεξεργασμένη χρησιμοποιώντας μια σειρά από έξι βήματα, σύμφωνα με τις συνήθεις διαδικασίες: (1) την απομάκρυνση των καταστρεμμένων pixels, (2) destriping, (3) προσαρμογή της επίδραση του χαμόγελου (4) ατμοσφαιρικές διορθώσεις (5) γεωαναφορά και αποκατάσταση, σύμφωνα με ακρίβεια μεγαλύτερη από 0,5 pixel και (6) μετατροπή σε ανάκλαση. Τέλος, επιτεύχθηκε η φασματική ανάκλαση κάθε χωραφιού με σιτάρι που περιλαμβάνεται στη μελέτη υπολογίζοντας κατά μέσο όρο με τιμές ανάκλασης τουλάχιστον στα 6 pixels, δηλαδή 5400 m2. 1.3 Μετρήσεις πεδίου και των παραγώγων τους

Ένα κανάλι 512 φασματοφωτόμετρου (350 έως 1050 nm), κατασκευάστηκε από την Analytical Spectral Devices TM (ASD, FieldSpec ® FR, Boulder, Co) χρησιμοποιήθηκε για να συλλεχθεί τυπικό σκέτο χώμα και φασματικά δεδομένα υπολείμματος καλλιεργειών. Ο θόρυβος στα δύο άκρα του φάσματος περιορίζει το ωφέλιμο εύρος δεδομένων μεταξύ 400 και 1000 nm και σε αυτή τη μελέτη. Τα στοιχεία συλλέχθηκαν με αίθριο καιρό μεταξύ 10 και 18 Ιανουαρίου 2009. Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής, κάλυψη από τις καλλιέργειες, τα υπολείμματα μετρήθηκαν και στα 65 χωράφια της μελέτης. Σε κάθε χωράφι, τα υπέργεια τμήματα των υπολειμμάτων του σιταριού και του ρυζιού μελετήθηκαν σε πέντε οικόπεδα 50cm*50cm. Κάθε φυτό σιταριού χωρίστηκε σε φύλλα και κιτσάνι και στη συνέχεια τα ζύγισαν για να υπολογιστεί η βιομάζα των φύλλων (g/m2). Περίπου το 20% των φύλλων επιλέχθηκαν τυχαία για τις μετρήσεις με μετρητή φυλλικής επιφάνειας. Αυτό το επιμέρους δείγμα χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της συνολικής επιφάνειας των φύλλων ανά μονάδα δειγματοληψίας χρησιμοποιώντας την αναλογία βάρους του δείγματος στο σύυνολο, μειώνοντας έτσι τον φόρτο εργασίας. Οι μετρήσεις φυλλικής επιφάνειας χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του LAI, την αναλογία της πράσινης φυλλικής επιφάνειας ανά δειγματική περιοχή (m2/m2). Επιπλέον, σε τουλάχιστον 20 κάθετες φωτογραφίες (μεταξύ των οποίων πέντε στα οικόπεδα δειγματοληψίας) που επικεντρώνονται σε μία ελάχιστη έκταση εδάφους 1m*1m ελήφθησαν πάνω από κάθε χωράφι, από ύψος 1.2 m χρησιμοποιώντας μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή. Οι φωτογραφίες αυτές στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν σε φυτική κάλυψη, εδαφική κάλυψη και κάλυψη των καταλοίπων από την ERDAS IMAGINE 9,1.

1.4.1 Μοντέλα προσομοίωσης

Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο PROSPECT (PROSPECT for Windows, έκδοση 1.00.03), το οποίο αντιμετωπίζει το φύλλο ως μία διαδοχή από απορροφητικά στρώματα (Jacquemoud και Baret, 1990), για να προσομοιώσει την ανάκλαση των φύλλων και τη διαπερατότητα για τροφοδότηση σε μοντέλο ανάκλασης θόλου (canopy reflectance model).

1.4.2 Σύγκριση των Μεθόδων

Για να ποσοτικοποιηθεί η κατεύθυνση της αλλαγής σε φασματικές τιμές ανακλαστικότητας ή δεικτών βλάστησης, όταν το φόντο έχει αλλάξει από γυμνό έδαφος σε κατάλοιπα για να υπολογίσουμε το RPD ως ακολούθως:

Για τα προσομοιωμένα δεδομένα από WinSail, τα SVr και SVs είναι οι τιμές ανάκλασης των δεικτών βλάστησης του θόλου με υπολείμματα σιταριού και χώμα ως φόντο αντίστοιχα και αντίστοιχα SVmin και SVmax είναι οι ελάχιστες και μέγιστες τιμές ανάκλασης των δεικτών βλάστησης του συνόλου των στοιχείων ανεξάρτητα από το φόντο, με τον LAI να κυμαίνεται μεταξύ 0,1 και 1,0. Ομοίως, για την αξιολόγήση του μεγέθους της σχετικής διαφοράς στην φασματική ανάκλαση ή των δεικτών βλάστησης μεταξύ των υποστρωμάτων του φόντου θα υπολογίζεται η απόλυτη τιμή του RPD (| RPD |): Ποσοτικοποιούμε την επίδραση των καταλοίπων, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση Το ΟΡ είναι το ποσοστό των πράσινων φύλλων που καλύπτονται από τα υπολείμματα και ως εκ τούτου δεν μπορούσε να προσδιοριστεί ως πράσινο κάλυμμα από τις ψηφιακές φωτογραφίες που λαμβάνονται στο χωράφι.

όπου LAIn-t και LAI1-t είναι οι προβλεπόμενες τιμές LAI από τα γραμμικά μοντέλα παλινδρόμησης μεταξύ πράσινου καλύμματος και LAI βασισμένα σε μετρήσεις σε ακαλλιέργητα εδάφη και εντατικώς καλλιεργήσιμα αντίστοιχα.

2. Αποτελέσματα

2.1 Μεταβολή στην κάλυψη των υπολειμμάτων που προκαλούνται από τις τεχνικές οργώματος

Σχετικά μεγάλο εύρος τιμών υπήρχε στις μετρήσεις για τον LAI και το πράσινο κάλυμμα τόσο σε ακαλλιέργητα όσο και σε εντατικώς καλλιεργήσιμα εδάφη, πράγμα που μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε τα αποτελέσματα που στηρίζονται στα συγκεκριμένα δεδομένα, ευρέως.

2.2 Φάσματα του γυμνού εδάφους και υπολειμμάτων καλλιεργειών

Σύμφωνα με άλλες μελέτες τα φάσματα τόσο του εδάφους και των καταλοίπων των καλλιεργειών στερούντια τη μοναδική φασματική υπογραφή της πράσινης βλάστησης 400 – 1000mm μήκη κύματος.

2.3.1 Ανάκλαση θόλου

Αλλάζοντας το υπόστρωμα του φόντου από το γυμνό έδαφος σε υπολείμματα καλλιέργειας είχε ως αποτέλεσμα μεγάλες διαφορές στη φασματική ανάκλαση του θόλου σε μήκη κύματος μεταξύ 400 και 1000mm. Λόγω της μεγαλύτερης ανάκλασης των υπολειμμάτων πάνω στο έδαφος, η προσομοίωση ανάκλασης του θόλου με υπολείμματα ως φόντο ήταν πάντα υψηλότερη απ’ ότι με το γυμνό έδαφος ως φόντο και έτσι RPD|RPD| ήταν πανομοιότυπα. Πάνω από το εύρος τιμών του LAI που χρησιμοποιείται (δηλαδή 0,1-1,0), RPD (και |RPD|) της ανάκλασης του θόλου κυμαίνεται από 31,1% (400mm) σε 67,4% (720 mm), με μέσο όρο 47,1%.

2.3.2 Δείκτες βλάστησης

Χρησιμοποιώντας τις δύο προσομοιωμένες βάσεις δεδομένων μας, συγκρίνουμε τις τιμές των RPD και |RPD| για να αξιολογήσουμε την ευαισθησία των NIR,βασισμένων στο κόκκινο, προσαρμοσμένων στο έδαφος και υπερφασματικών δεικτών βλάστησης στην αλλαγή του φόντου από γυμνό έδαφος σε κατάλοιπα καλλιεργειών. Οι NDVI και RVI είναι δύο από τους πιο διαδεδομένους NIR- βασισμένους στο κόκκινο, δείκτες βλάστησης. Με τον LAI να κυμαίνεται μεταξύ 0,1 και 1,0, οι |RPD| τιμές για τον NDVI και τον RVI κυμαίνονται από 0,609% σε 6,72% και 0,265% από 13,4%, αντίστοιχα, με αντίστοιχο μέσο όρο |RPD| από 5,12% και 6,89%.

2.4 Επικύρωση από το έδαφος

Για τα εντατικά καλλιεργήσιμα εδάφη ο LAI συσχετίζεται γραμμικά με όλους τους έξι δείκτες βλάστησης που χρησιμοποιούνται στην παρούσα μελέτη (p=0,0001), με τιμές R2 μεταξύ 0,62 και 0,87. Σύμφωνα με τις τιμές του R2 οι προσαρμοσμένοι στο έδαφος δείκτες (TSAVI και SAVI2) δεν ήταν ουσιαστικά καλύτεροι από τους αναλογικούς δείκτες στην πρόβλεψη του LAI. Για όλους τους έξι δείκτες βλάστησης, οι τιμές των μέσων όρων των |RPD| και RPD και αξίες κυμάνθηκαν μεταξύ 11,3% (DRE) και 19,2% (REIP) και -15,9% μεταξύ (RVI) και 2,24% (REIP), αντίστοιχα.

2.5 Αδιευκρίνιστη Επίδραση

Σημαντικές σχέσεις μεταξύ LAI και κάλυψης με πράσινο παρατηρήθηκαν τόσο σε ακαλλιέργητα όσο και σε εντατικώς καλλιεργήσιμα εδάφη (p=0,0001), με τις τιμές των R2 από 0,95 και 0,94 για τα μοντέλα της δεύτερης σειράς παλινδρόμησης αντίστοιχα. Το 76,5% των σημείων των δεδομένων για ακαλλιέργητα εδάφη ήταν πάνω από την καμπύλη παλινδρόμησης για τα εντατικώς καλλιεργήσιμα εδάφη, και η καμπύλη για ακαλλιέργητα εδάφη ήταν πάντοτε πάνω από την καμπύλη παλινδρόμησης για τα εντατικώς καλλιεργήσιμα εδάφη, πράγμα που σημαίνει ότι τα υπολείμματα, στην πραγματικότητα, έχουν μια αδιευκρίνιστη επίδραση στα πράσινα φύλλα.

3 Συμπέρασμα

Η εντατική κατεργασία και η εφαρμογή ακατεργασίας κατέληξαν στη μεγάλη μεταβλητότητα στην κάλυψη των καλλιεργειών των χωραφιών μελέτης από υπολείμματα. Η μέση κάλυψη των υπολειμμάτων ήταν 6,7% και 45,9% για τα 42 εντατικώς επεξεργαζόμενα και τα ακατέργαστα, αντίστοιχα. Η φασματική μορφή του γυμνού εδάφους ήταν παρόμοια με εκείνη των υπολειμμάτων των καλλιεργειών. Ωστόσο, στους τομείς της μελέτης, τα υπολείμματα ήταν σημαντικά πιο φωτεινά από το γυμνό έδαφος. Αλλάζοντας το φόντο, από έδαφος σε κατάλοιπα, αυτό είχε σαν αποτέλεσμα διαφορές τόσο στην ανάκλαση του θόλου όσο και στους δείκτες βλάστησης. Χρησιμοποιώντας |RPD| να αξιολογήσει την ευαισθησία των δεικτών στο υπόστρωμα του φόντου, η απόδοση από το καλύτερο στο χειρότερο ήταν: δείκτες βλάστησης προσαρμοσμένοι στο έδαφος, (TSAVI και SAVI2), αναλογικοί δείκτες βλάστησης (NDVI και RVI) , υπερφασματικοί δείκτες βλάστησης (DRE και REIP) και φασματική ανάκλαση. Περισσότερα πράσινα φύλλα στο θόλο του σίτου καλύφθηκαν από υπολείμματα σε ακατέργαστα εδάφη, παρά σε εντατικώς κατεργασμένα, με μέσο όρο 8,57% όταν η κάλυψη με πράσινο ήταν μεταξύ 1,0% και 85%. Αυτό θα προκαλέσει υποτίμηση του LAI για ακατέργαστα εδάφη χρησιμοποιώντας τηλεπισκοπικές μεθόδους.