Τηλεπισκόπηση για τη διαχείριση της άρδευσης των καλλιεργειών

Από RemoteSensing Wiki

Τηλεπισκόπηση για τη διαχείριση της άρδευσης των καλλιεργειών

Πρωτότυπος τίτλος: Remote Sensing for Crop Water Management: From ET Modelling to Services for the End Users

Συγγραφείς: Alfonso Calera, Isidro Campos, Anna Osann, Guido D’Urso and Massimo Menenti

Δημοσιεύθηκε: Sensors (Basel) 2017 May 11;17(5). pii: E1104. doi: 10.3390/s17051104

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, εξατμισοδιαπνοή, NIWR, Penman-Monteith, IrriSatSMS, web-GIS

Eικόνα 1: Επισκόπηση των προσεγγίσεων με χρήση τηλεπισκόπησης για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής και τις αρδευτικές απαιτήσεις μιας καλλιέργειας.

Εισαγωγή

Η σημερινή ζήτηση γλυκού νερού για άρδευση στον κόσμο είναι μη βιώσιμη, όπως αναγνώρισε ο Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών (FAO). Ένας από τους πιθανούς τρόπους επίλυσης αυτού του προβλήματος θα μπορούσε να είναι η βελτίωση της αποτελεσματικότητας στη χρήση νερού για άρδευση για την επίτευξη βιώσιμης εντατικοποίησης της αρδευόμενης γεωργίας ως "παραγωγή περισσότερων προϊόντων με αποτελεσματικότερη χρήση όλων των εισροών σε σταθερή βάση". Στο σχέδιο διαχείρισης των καλλιεργειών, ένα καλό πρώτο βήμα για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της χρήσης των υδάτων είναι η χρήση της ελάχιστης ποσότητας νερού που χρειάζεται βάσει των πραγματικών απαιτήσεων των καλλιεργειών, επισημαίνοντας την αναγκαιότητα εκτιμήσεων της καθαρής απαίτησης νερού άρδευσης (NIWR). Το NIWR είναι το νερό που πρέπει να χρησιμοποιείται για άρδευση, ώστε να αντισταθμίσει την εξατμισοδιαπνοή, την έκπλυση και τις ποικίλες παροχές νερού. Επομένως, για τον υπολογισμό του NIWR απαιτείται η εκτίμηση των απαιτήσεων σε νερό της καλλιέργειας (CWR) και του ισοζυγίου του νερού, όπου η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι το κύριο συστατικό.

Eικόνα 2: Σύγκριση του Kc της καλλιέργειας σιταριού και καλαμποκιού και η χρονική εξέλιξη του δείκτη NDVI και για τις δύο καλλιέργειες, Albacete, Ισπανία.

Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής με χρήση τηλεπισκόπησης

Οι περισσότερες μεθοδολογίες για την εκτίμηση της ΕΤ με βάση τα δεδομένα τηλεπισκόπησης, βασίζονται στο μοντέλο μεγάλης φυλλικής επιφάνειας και στις περαιτέρω εξελίξεις της εξίσωσης Penman-Monteith. Αυτό το μοντέλο βασίζεται στην προσέγγιση της ενεργειακής ισορροπίας της επιφάνειας και της αντίστασης του φύλλου, για την περιγραφή της μεταφοράς των υδρατμών. Η εξίσωση Penman-Monteith μπορεί να εφαρμοστεί για την εκτίμηση της ET, όταν οι επιφανειακές και αεροδυναμικές αντιστάσεις προσδιορίζονται σωστά για συγκεκριμένο είδος καλλιέργειας γνωστών χαρακτηριστικών και περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, η εξίσωση Penman-Monteith εφαρμόστηκε, για την εκτίμηση των απαιτήσεων νερού άρδευσης, κοινώς γνωστή ως μέθοδος FAO-56. Εφαρμόστηκε η προσέγγιση γνωστή ως "άμεσος υπολογισμός", για την οποία απαιτούνται τα χαρακτηριστικά των καλλιεργειών που μετριούνται ή εκτιμώνται για κάθε τμήμα της καλλιέργειας. Ο άμεσος υπολογισμός χρησιμοποιήθηκε, για να βελτιωθεί ο ορισμός της αναφοράς ET, ETo, λαμβάνοντας υπόψη μια γνωστής έκτασης επιφάνεια γρασιδιού που έχει σταθερό ύψος καλλιέργειας (0,12 m), albedo (0,23) και LAI. Η Εικόνα 1 δείχνει σχηματικά το πλαίσιο f ή την ενσωμάτωση των διαφορετικών μοντέλων για την αξιολόγηση του CWR και του NIWR.

Eικόνα 3: Kc διαφόρων καλλιεργειών.

Διαχείριση νερού άρδευσης

Παρακολούθηση της ανάπτυξης των καλλιεργειών στη σωστή χωρική και χρονική κλίμακα

Η παρακολούθηση της ανάπτυξης των καλλιεργειών και της εξατμισοδιαπνοής τους για τη διαχείριση της άρδευσης, απαιτεί πυκνή χρονοσειρά πολυφασματικών εικόνων με χωρική ανάλυση αρκετά υψηλή, ώστε να επιλύει τη μεταβλητότητα εντός του πεδίου σε πραγματικό χρόνο. Η χωρική και χρονική ανάλυση των χαρτών ET και NIWR που προκύπτουν, εξαρτάται από το μέγεθος των εικονοστοιχείων της απεικόνισης. Επιπλέον, και δεδομένου ότι η καλλιέργεια εξελίσσεται ταχέως στις περισσότερες περιπτώσεις, μεμονωμένοι δορυφορικοί αισθητήρες δεν μπορούν να καταγράψουν επαρκώς αυτές τις αλλαγές, λόγω της περιορισμένης χρονικής τους ανάλυσης και της επίπτωσης της παρεμβολής της ατμόσφαιρας στις οπτικές και θερμικές δορυφορικές εικόνες. Για μοντέλα βασισμένα σε εικόνες VIS-NIR, το μέγεθος των εικονοστοιχείων κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 5 και 30m χρησιμοποιώντας τις περισσότερο εμπορικές (World View, Rapid Eye, DMC και DEIMOS) εικόνες από τους αισθητήρες του Landsat 8 και Sentinel-2a, που βρίσκονται σε τροχιά. Οι χρονοσειρές και των δύο αισθητήρων είναι προσβάσιμες μέσω των ιστοσελίδων USGS και Copernicus. Η χρήση εικονικών αστερισμών πολλαπλών αισθητήρων είναι ο μόνος τρόπος για να εξασφαλιστεί η συχνή διαθεσιμότητα εικόνων χωρίς σύννεφα.

Eικόνα 4: Σχεδιάγραμμα συστήματος που βασίζεται σε τηλεπισκοπικά και καιρικά δεδομένα στο web-GIS, ώστε ο τελικός αποδέκτης να προγραμματίζει σωστά την άρδεση των καλλιεργειών.

Αρδευτικός προγραμματισμός με χρήση τηλεπισκόπησης

Οι τεχνικές πλήρωσης κενών μεταξύ των εικόνων που βρίσκονται χρονικά κοντά, επιτρέπουν τη δημιουργία ημερήσιων χαρτών των μεταβλητών ενδιαφέροντος LAI, hc ή, άμεσα, Kcb, εκμεταλλευόμενες τις ομαλές συνεχείς καμπύλες που περιγράφονται από αυτές τις παραμέτρους. Το αποτέλεσμα αυτών των Kcb χαρτών και η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς ή η λύση της εξίσωσης PM χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση, παρέχει άμεσα την καθημερινή δυνητική διαπνοή σε εικονοστοιχεία με βάση εικονοστοιχεία. Για τον ακριβή προσδιορισμό του NIWR, και τα δύο μοντέλα Kcb RS-PM απαιτούν την αξιολόγηση της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό. Αυτές οι προσεγγίσεις υπολογίζουν την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας στα σημειωμένα μοντέλα και αυτή συνδέεται με την ισορροπία του νερού, προκειμένου να παρέχει πληροφορίες για την εξάντληση του νερού στο επίπεδο των ριζών. Οι χρόνοι άρδευσης και η εκτίμηση της ποσότητας θα εξαρτώνται από τις εκτιμήσεις της εξάντληση του νερού και την ικανότητα συγκράτησης του στο επίπεδο των ριζών.

Eικόνα 5: Παρόμοιες απόψεις για τη λήψη αποφάσεων με χρήση web-GIS.

Η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων θα μπορούσε να δώσει μια εικόνα για την εξάτμιση του εδάφους, παρόλο που οι κλίμακες παρατήρησης των σημερινών αισθητήρων SMAP (Soil Moisture Active Passive) και SMOS (20 km) είναι πολύ χοντροειδείς για την κλίμακα γεωργίας που μας ενδιαφέρει. Ορισμένες πρωτοβουλίες που υλοποιούν δορυφορικές συμβουλευτικές υπηρεσίες άρδευσης αναπτύχθηκαν στη νότια Ιταλία, με την IRRISAT, στην Κάτω Αυστρία, με το EO4Water και στη νότια Αυστραλία με την IRRiEYE. Τα συστήματα αυτά βασίζονται στη μέθοδο RS-PM. Έτσι, ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής και του προτεινόμενου βάθους άρδευσης βασίζεται στον υπολογισμό του LAI από τις τιμές της ανάκλασης επιφανείας και από μετεωρολογικά δεδομένα. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα από τον εικονικό αστερισμό Landsat 8, Sentinel-2 και DEIMOS χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή παραμέτρων καλλιέργειας σε εβδομαδιαία βάση.

Μια προσέγγιση που χρησιμοποιεί δορυφορικά δεδομένα, κινητά τηλέφωνα και εργαλεία GIS για την παροχή πληροφοριών, είναι το σύστημα IrriSatSMS που αναπτύχθηκε στην Αυστραλία από τον CSIRO (Οργανισμός Επιστημονικής και Βιομηχανικής Έρευνας της Κοινοπολιτείας). Το σύστημα βασίζεται στη σχέση NDVI-Kcb και αρχικά εφαρμόστηκε για αμπελώνες στην περιοχή Murrumbidgee, αλλά σήμερα καλύπτει ολόκληρη την αυστραλιανή ήπειρο. Το σύστημα IrriSatSMS στοχεύει στην απλοποίηση των απαιτήσεων συλλογής δεδομένων και στη μείωση τόσο του κόστους, όσο και της πολυπλοκότητας της παραγωγής πληροφοριών.

Eικόνα 6: Εβδομαδιαίες μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ΑΕΜΕΤ) με τη χρήση του συστήματος SPIDER web-GIS.

Σύγκριση των συστημάτων λήψης αποφάσεων με βάση την τεχνολογία WEB-GIS

Η Εικόνα 5 παρουσιάζει τα κύρια χαρακτηριστικά των συστημάτων λήψης αποφάσεων, που βασίζονται στο GIS. Η ανάπτυξη αυτών των λειτουργικών συστημάτων για την αξιολόγηση της διαχείρισης των υδάτων, επιβεβαιώνει την ωριμότητα και την εφαρμογή των μεθοδολογιών που εξετάζονται σε αυτή την εργασία. Τα πλεονεκτήματα και οι βελτιώσεις σε σχέση με τις παραδοσιακές συμβουλευτικές υπηρεσίες άρδευσης, βασισμένες σε μετρήσεις πεδίου και σε τιμές του Kc, είναι η δυνατότητα του δορυφορικού συστήματος να αντικατοπτρίζει τις πραγματικές συνθήκες, καλύπτοντας μεγάλες εκτάσεις και αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της εργασίας πεδίου. Οι βασικές πληροφορίες που παρέχονται από κάθε σύστημα είναι παρόμοιες: οι δείκτες βλάστησης, τα έγχρωμα σύνθετα και οι βασικές βιοφυσικές παράμετροι που προέρχονται από δορυφορικά δεδομένα και σχετίζονται με τη χρήση του νερού, όπως οι συντελεστές καλλιέργειας. Όλα τα συστήματα λαμβάνουν υπόψη την αναγκαιότητα της χωροχρονικής ανάλυσης και ο χρήστης μπορεί να οπτικοποιήσει τις εικόνες και να ζητήσει πληροφορίες για διαφορετικές ημερομηνίες ή χρονικές περιόδους. Μια ενδιαφέρουσα επιλογή σε όλα τα συστήματα είναι η δυνατότητα παρουσίασης σε χάρτες της τοποθεσίας του χρήστη ή της συνδεδεμένης στο διαδίκτυο συσκευής. Το IrriSatSMS έχει πολλές δυνατότητες επεξεργασίας, επειδή είναι σε θέση να υπολογίσει, on-the-fly, ένα ισοζύγιο του νερού του εδάφους για μια περιοχή μελέτης. Το σύστημα είναι σε θέση να εκτιμήσει και να ενημερώσει την πραγματική NIWR και το περιεχόμενο του νερού του εδάφους, με βάση τις πληροφορίες που παρέχονται από τον χρήστη. Σε σύγκριση με το EEFlux, το δεύτερο είναι σε θέση να υπολογίσει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή για την περιοχή μελέτης, αλλά χωρίς πρόσθετες απαιτούμενες πληροφορίες. Οι πληροφορίες σχετικά με το NIWR και άλλα δορυφορικά στοιχεία για το ισοζυγίου νερού, μπορούν να προβληθούν σε άλλα web-GIS εργαλεία, όπως το SPIDER ή το IRRISAT, αλλά πρέπει να υποστούν επεξεργασία.

Πρόβλεψη CWR μιας βδομάδας

Η παροχή συμβουλών σχετικά με τη CWR, για μία εβδομάδα μετά, φαίνεται να είναι εύλογη προσδοκία, παρέχοντας αρκετό χρόνο και εξασφαλίζοντας την ακρίβεια της πρόβλεψης CWR. Η πρόβλεψη της CWR για μία εβδομάδας μετά επιτρέπει τον προγραμματισμό της άρδευσης προσαρμοσμένη στην παροχής ενέργειας, τη διαθεσιμότητα νερού, τα συστήματα άρδευσης, την πιθανότητα καθίζησης και τη διαθεσιμότητα των γεωργών. Επίσης, απαιτείται η γνώση των δεδομένων Kc-Kcb και των προβλέψεων του καιρού για την πρόβλεψη της εξατμισοδιαπνοής.

Συμπεράσματα

Η εμπειρία που συγκεντρώθηκε τα τελευταία 30 χρόνια υποστηρίζει την επιχειρησιακή χρήση του προγραμματισμού άρδευσης με βάση φασματικά δεδομένα. Επί του παρόντος, η επιχειρησιακή χρήση πυκνών χρονοσειρών πολυφασματικής απεικόνισης με υψηλή χωρική ανάλυση, επιτρέπει την παρακολούθηση των βιοφυσικών παραμέτρων των καλλιεργειών που σχετίζονται με τη χρήση νερού κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες και εκτιμώνται ιδιαίτερα από τους τελικούς χρήστες, όπως οι επαγγελματίες αγρότες ή οι υπεύθυνοι για τη λήψη αποφάσεων, αλλά απαιτούνται αρκετά βήματα προτού εισαχθούν οι πληροφορίες αυτές στην καθημερινή ρουτίνα της άρδευσης. Οι πληροφορίες σχετικά με τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε νερό πρέπει να παρέχονται με επαρκή μελλοντική πρόβλεψη και η μια εβδομάδα φαίνεται να είναι ένας λογικός χρόνος. Επιπλέον, η πρόσβαση των τελικών χρηστών σε αυτές τις πληροφορίες, πρέπει να γίνεται με εύκολο τρόπο και σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.

Συμβολή της Τηλεπισκόπησης

Η Τηλεπισκόπηση, στη παρούσα εργασία μας παρέχει πληροφορίες χρήσιμες για τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε νερό, και στη λήψη αποφάσεων. Υπολογίζοντας την εξατμισοδιαπνοή της κάθε καλλιέργειας, με τη χρήση τηλεπισκόπησης, μπορούμε να υπολογίσουμε και τις απαιτήσεις της σε νερό, λαμβάνοντας υπόψη και άλλους παράγοντες, όπως οι καιρικές συνθήκες και η έκπλυση του εδάφους. Έτσι, μπορούμε να παρέχουμε την κατάλληλη ποσότητα νερού στις καλλιέργειες, χωρίς να γίνεται υπεράντληση του διαθέσιμου νερού και χωρίς να μειώνεται το υδατικό απόθεμα.