Παρατήρηση της φαινολογίας των καφεόδεντρων μέσω τηλεπισκόπησης και η σχέση της με τις αποδόσεις των καλλιεργειών
Από RemoteSensing Wiki
Παρατήρηση της φαινολογίας των καφεόδεντρων μέσω τηλεπισκόπησης και η σχέση της με τις αποδόσεις των καλλιεργειών
Πρωτότυπος τίτλος:Remotely Sensed Phenology of Coffee and Its Relationship to Yield
Συγγραφείς: Brunsell N. A., Pontes P. P. B., Lamparelli R. A. C.
Περίληψη
Λόγω των πολύπλοκων μικροκλιματικών επιδράσεων, του πολυετούς φαινολογικού κύκλου και της μικρής κλίμακας των φυτειών καφέ, λίγες εφαρμογές έχουν υπάρξει για την εξέταση των αποδόσεων των καφεόδεντρων μέσω δορυφόρου. Χρησιμοποιώντας δεδομένα της περιόδου 2001- 2006, τα κατακρηνίσματα στην επιφάνεια του εδάφους συνδέονται με την επιφανειακή θερμοκρασία και την φυτοκάλυψη. Η απόδοση σχετίζεται με τις αποκλίσεις ως προς την φυτοκάλυψη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η χωρική ανάλυση που προσφέρει ο αισθητήρας MODIS, σε συνδυασμό με την διαθέσιμη χρονική κάλυψη, επιτρέπει τον προσδιορισμό της φαινολογίας των καφεόδεντρων.
Εισαγωγή
Ο καφές είναι ένα από τα σημαντικότερα αγροτικά προϊόντα στον κόσμο και ένα βασικό προϊόν για πολλές χώρες της Αφρικής και της Λατινικής Αμερικής. Δεδομένης της οικονομικής και κοινωνικής σημασίας της αγροτικής παραγωγής, είναι επιτακτική η σύνδεση των διακυμάνσεων της παραγωγής με τις διακυμάνσεις στο μικροκλίμα, και η ανάλογη προσαρμογή των αγροτικών πρακτικών. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε τη διακύμανση των δυναμικών αυτών ανάλογα με τα διάφορα σενάρια κλιματικής αλλαγής. Οι προβλέψεις των αποδόσεων για τα καφεόδεντρα είναι ένα περίπλοκο θέμα, διότι έχουν πολυετή φαινολογικό κύκλο, με διαφορετικές μικροκλιματικές απαιτήσεις σε διαφορετικές φάσεις του κύκλου ανάπτυξης, και περιπλοκότητα ως προς τις ανάγκες σε νερό. Παράγοντα πολυπλοκότητας ως προς τις ανάγκες σε νερό αποτελεί επίσης η διακύμανση της στοματικής αγωγιμότητας ως προς την καθαρή αφομοίωση (δείκτης NAR). H συνολική έκταση των περιοχών παραγωγής καφέ στη Βραζιλία ανέρχεται σε 1,04 εκατομμύρια εκτάρια, αντιπροσωπεύοντας το 48,8% της παραγωγής της χώρας. Ωστόσο, οι μελέτες τηλεπισκόπησης σχετικά με την παραγωγή καφέ είναι περιορισμένες, καθώς η καλλιέργεια αυτή εφαρμόζεται συνήθως σε μικρά χωράφια με μεγάλη κλίση. Εντούτοις, η χρήση αεροφωτογραφιών κρίνεται επιτυχημένη, καθώς βασίζεται σε νευρωνικά δίκτυα. Κύριος στόχος της συγκεκριμένης μελέτης είναι η αποτίμηση της χρήσης δεδομένων του αισθητήρα MODIS στην πρόβλεψη των αποδόσεων των καφεόδεντρων. Συγκεκριμένα, προσπαθούμε να αποτιμήσουμε κατά πόσο η χωρική ανάλυση του αισθητήρα ανταποκρίνεται στην αναγκαία χρονική κάλυψη.
Επίσης, μας ενδιαφέρει ο αντίκτυπος της κλιματικής ποικιλομορφίας στην παραγωγή καφέ, με σκοπό την αποτίμηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στην περιοχή για ένα φυτό τόσο μεγάλης οικονομικής σημασίας.
Μέθοδοι
Η εικόνα του δορυφόρου SPOT-5 που χρησιμοποιήσαμε λήφθηκε τον Αύγουστο του 2005. Η εικόνα περιλαμβάνει ολόκληρη την περιοχή μελέτης και επεξεργαστηκε σε 4 στάδια. Στην πρώτη φάση, τα πολυφασματικά κανάλια συγχωνεύθηκαν με την χρήση του αλγορίθμου Gram-Schmidt Spectral Sharpening, δημιουργώντας .tif αρχείο με χωρική ανάλυση 2.5 m. Στην δεύτερη φάση, πραγματοποιήθηκε γεωμετρική διόρθωση της εικόνας. Η τρίτη φάση αφορούσε στη διάκριση των φυτειών καφεόδεντρων, όπου δυσκολία παρατηρήθηκε στο διαχωρισμό καφεόδεντρων και δασικών εκτάσεων, και στην ταυτοποίηση μικρών φυτειών και φυτειών νεαρών καφεόδεντρων, οπότε απαιτήθηκε εφαρμογή ταξινόμησης. Τέλος, εφαρμόστηκε φιλτράρισμα τύπου kernel σε κάθε κανάλι, έτσι ώστε να ενισχυθούν τα χαρακτηριστικά της εικόνας και να παρατηρηθούν καλύτερα οι φασματικές διαφορές μεταξύ καφεόδεντρων και δασικών εκτάσεων.
Για την ανάλυση των διαφορών στις εποχιακές μεταβολές και την επίδραση τους στον κύκλο ανάπτυξης των καφεόδεντρων, χρησιμοποιήσαμε εικόνες που απεικονίζουν τον δείκτη NDVI και την επιφανειακή θερμοκρασία. Κατόπιν επεξεργασίας του δείκτη NDVI, προέκυψε ο δείκτης Fr, ο οποίος διαθέτει τα εξής πλεονεκτήματα: 1)Ο δείκτης σχετίζεται άμεσα με τα ύψη παραγωγής και 2)Ελαχιστοποιεί τις ανάγκες για ατμοσφαιρική διόρθωση. Επίσης, η σημασία του δείκτη Fr έγκειται στην υψηλότερη χωρική ανάλυση σε σχέση με την επιφανειακή θερμοκρασία, γεγονός που επιτρέπει την εύκολη συσχέτιση τους από την εξαγωγή μέσων όρων του Fr. Ένας από τους κύριους σκοπούς μας ήταν η ανάλυση και σύγκριση των αλλαγών που παρατηρούνται στα δορυφορικά δεδομένα, και η συσχέτιση τους με τον πολυετή κύκλο και τις αποδόσεις των καφεόδεντρων. Έτσι, χρησιμοποιήσαμε τον δείκτη Fr για την φυτοκάλυψη, την επιφανειακή θερμοκρασία (T) και το ύψος των κατακρηνισμάτων που παρατηρήθηκαν μέσω μετεωρολογικών σταθμών (PPT), καθώς και τις ίδιες μεταβλητές χωρίς την επίδραση των εποχικών αλλαγών (Fr’, T’, PPT’). Υπολογίστηκε η εποχιακή διαταραχή και η τάση των δεικτών αυτών. Υπολογίστηκε επίσης η διασυσχέτιση των δεικτών Fr, Τ και PPT σε δύο διαφορετικές χρονικές περιόδους (δείκτης ρ).
Αποτελέσματα και συζήτηση
Το μέγιστο ύψος των κατακρηνισμάτων παρατηρήθηκε στο 1ο και στο 3ο-4ο στάδιο ανάπτυξης των καφεόδεντρων. Η θερμοκρασία είναι γενικά υψηλότερη στην αρχή της βροχερής περιόδου, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα υψηλή καταγραφή στο 1ο και τι 3ο στάδιο ανάπτυξης, ενώ μείωση θερμοκρασίας παρατηρείται στο 2ο και στο 4ο-6ο στάδιο ανάπτυξης. Αυτό παρατηρήθηκε ιδιαίτερα στον κύκλο της περιόδου 2003-2004, όπου επίσης το ύψος των κατακρηνισμάτων ήταν υψηλό.
Προκείμενου να εξετάσουμε αν οι διαφορές μεταξύ πρώτου και δεύτερου έτους του καλλιεργητικού είναι διαπιστώσιμη μέσω του αισθητήρα MODIS, παρατηρήσαμε την μέση επιφανειακή θερμοκρασία και τον δείκτη Fr κατά τα έτη χαμηλής και υψηλής παραγωγικότητας κατά την διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Καταγράφηκε υψηλότερο Fr κατά το 2ο έτος, δηλαδή εκείνο με την υψηλότερη παραγωγικότητα. Αυτό οφειλεται στον υψηλότερο αριθμό καρπών και στις συνέπειες της συγκομιδής.
Δευτερεύοντα στόχο της μελέτης αποτέλεσε η διαλεύκανση του αντικτύπου της χρονικής στιγμής των κατακρηνισμάτων στις μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στην τηλεπισκόπηση σχετικά με τις καλλιέργειες καφεόδεντρων. Πραγματοποίησαμε Cross Lagged συσχέτιση μεταξύ των δεικτών Fr και PPT. Για τις αρνητικές τιμές που προκύπτουν, διαπιστώνεται πολύ μικρή συσχέτιση μεταξύ των μεταβλητών, η οποία αυξάνεται για θετικές τιμές, όπου από τον δείκτη Fr εξαρτώνται αποτελέσματα του δείκτη PPT. Η μέθοδος της Cross Lagged συσχέτισης χρησιμοποιήθηκε επίσης μεταξύ των δεικτών Fr και Τ. Οι αρνητικές τιμές στην συγκεκριμένη περίπτωση δείχνουν εξάρτηση των τιμών της εδαφικής υγρασίας από τις τιμές της ραδιομετρικής θερμοκρασίας. Τότε, παρατηρείται ότι η παραγωγή αυξάνεται με την μείωση της ραδιομετρικής θερμοκρασίας, ως αποτέλεσμα μείωσης του υδατικού stress. Οι λίγες ημέρες που διαπιστώθηκαν θετικές τιμές αντιμετωπίζονται ως βαρύνουσας σημασίας, λόγω της ανάγκης των καφεόδεντρων να παρουσιάσουν κάποιο υδατικό stress προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα της παραγωγής. Τέλος, περαιτέρω συσχετίσεις μεταξύ των δεικτών Fr, PPT και Τ μελετήθηκαν με την χρήση του δείκτη ρ.
Συμπεράσματα
Η παρακολούθηση της φαινολογικής ανάπτυξης των καφεόδεντρων και η ανάλογη πρόβλεψη των αποδόσεων τους κρίνεται δύσκολη λόγω του πολυετούς κύκλου ζωής τους. Παραδοσιακές μέθοδοι που βασίζονται στην μελέτη του μικροκλίματος αποτυγχάνουν εξαιτίας των περίπλοκων αναγκών των φυτών σε θερμοκρασία και νερό, και το μικρό μέγεθος των καλλιεργειών δημιουργεί προβλήματα στην τηλεπισκόπηση. Ωστόσο, τα δεδομένα που εξήχθησαν μέσω του αισθητήρα MODIS φαίνεται να διαθέτουν αναλυτική αποτελεσματικότητα. Περιορισμό της μελέτης αποτελεί η διάρκεια της, που κάλυψε μόνο 3 κύκλους ζωής των φυτών, αλλά και ο χώρος στον οποίο διερευνήθηκε ο ρόλος των κατακρηνισμάτων. Ελέγχοντας τις παρεκκλίσεις των τάσεων των εξεταζόμενων δεικτών στην περιοχή μελετής, διαπιστώνουμε ότι ο δείκτης Fr σε γενικές γραμμές κρίνεται αξιόπιστο εργαλείο για την μέτρηση του ύψους παραγωγής, υπολογίζοντας την φυτοκάλυψη. Σε συνδυασμό με την διαπίστωση των αποκλίσεων στην επιφανειακή θερμοκρασία και το ύψος των κατακρηνισμάτων, μπορούμε να εξηγήσουμε πως προκύπτουν οι περιορισμοί στο νερό, και έτσι να προβούμε σε καλύτερες προβλέψεις.
