Ένα καινοτόμο και ευφυές σύστημα με βάση την τηλεπισκόπηση και μαθηματικά μοντέλα για την βελτίωση της εκτίμησης απόδοσης της σοδειάς
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: An innovative intelligent system based on remote sensing and mathematical models for improving crop yield estimation
Συγγραφέας: Mohamad M. Awad
Citation: Mohamad M. Awad, An innovative intelligent system based on remote sensing and mathematical models for improving crop yield estimation, Information Processing in Agriculture, Volume 6, Issue 3, 2019,316-325, ISSN 2214-3173, https://doi.org/10.1016/j.inpa.2019.04.001
Πηγή: Science Direct.
Λέξεις κλειδιά: απόδοση σοδειάς, περιβάλλον, τηλεπισκόπηση, επεξεργασία εικόνων, εξατμισοδιαπνοή, ευφυές σύστημα
Αντικείμενο Eφαρμογής : Εκτίμηση απόδοσης σοδειάς
1.Περίληψη-Στόχος της εφαρμογής:
Οι δύο βασικοί περιορισμοί στην χρήση της τηλεπισκόπησης για την εκτίμησης της απόδοσης της σοδειάς συνίστανται: α) στις κλιματικές συνθήκες (νεφοκάλυψη) και β) στην χαμηλή χρονική διακριτική ικανότητα των δορυφορικών εικόνων. Μέχρι πρότινος, οι ως άνω περιορισμοί επιχειρήθηκε να επιλυθούν, από μια σειρά από ερευνητές, μέσω της χρήσης δορυφορικών εικόνων υψηλής χρονικής και χαμηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας. Στην παρούσα έρευνα, το πρόβλημα προσεγγίζεται με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων, μεθόδων, τεχνικών και ευφυών συστημάτων που βασίζονται σε δεδομένα τηλεπισκόπησης, έτσι ώστε να βελτιωθεί η εκτίμηση της απόδοσης της σοδειάς.
2.Σύνδεση με την υπάρχουσα έρευνα:
Η παρούσα έρευνα τροποποιεί και βελτιώνει τη μέθοδο που αναπτύχθηκε από τους Bastiaansses and Ali (2003) [5] για την περιγραφή των χρονικών και χωρικών μεταβολών της υγρασίας του εδάφους, μέσω της χρήσης της εξίσωσης του ενεργειακού ισοζυγίου και του μοντέλου Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (METRIC) [1]. Επίσης, το μοντέλο Monteith [2] τροποποιείται με την ανάπτυξη ενός νέου μαθηματικού μοντέλου.
3. Περιοχή Μελέτης:
Το σύστημα που αναπτύσσεται στην παρούσα μελέτη εφαρμόζεται στην κοιλάδα Bekaa (Εικόνα 1),τη μεγαλύτερη αγροτική περιοχή του Λιβάνου. Οι κύριες καλλιέργειες τις περιοχής είναι το σιτάρι και η πατάτα. Τέλος, στην περιοχή βρίσκονται εγκατεστημένοι δύο σταθμοί Bowe Ratio για την μέτρηση διάφορων κλιματικών παραμέτρων, απαραίτητων για τη διαχείριση της άρδευσης και την εκτίμηση της απόδοσης της σοδειάς.
4. Δορυφορικά Δεδομένα:
Χρησιμοποιούνται δορυφορικές εικόνες προερχόμενες από τους δορυφόρους Landsat 7 ETM+ και Landsat8. Η επιλογή των προαναφερόμενων δορυφόρων στηρίζεται στους εξής παράγοντες:
- η ελεύθερη διάθεση των δορυφορικών εικόνων από την ιστοσελίδα του USGS
- οι μόνες ελεύθερες δορυφορικές εικόνες που έχουν υπέρυθρο, θερμικό κανάλι και υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα 60m, εν αντιθέσει με τον δορυφόρο MODIS χωρικής διακριτικής ικανότητας 1000m.
- η συνδυαστική χρήση των δύο δορυφόρων (Landsat 7 & Landsat 8) βελτιώνει την χρονική διακριτική ικανότητα από 16 μέρες, για τον κάθε δορυφόρο χωριστά, σε 8 ημέρες.
5. Προεπεξεργασία των δορυφορικών εικόνων:
Οι δορυφορικές εικόνες έχουν υποστεί τις παρακάτω διαδικασίες:
- SLC (Scan Line Corrector) – OFF διόρθωση με βάση τη μέθοδο των Scaramuzza et al. (2018) [3] . Τα δεδομένα του Landsat 7 εμφανίζουν κενά από τις 31/05/2003, οπότε και «κατέρρευσε» το SLC. Τα δεδομένα ωστόσο παραμένουν χρήσιμα και διατηρούν τις αρχικές γεωμετρικές και ραδιομετρικές διορθώσεις. Τα εκλιπόντα δεδομένα αντικαθίστανται με δεδομένα από κάποια άλλη Landsat εικόνα, μέσω του γραμμικού μετασχηματισμού της τελευταίας.
- Ατμοσφαιρική διόρθωση, δηλαδή διόρθωση των εικόνων στον αισθητήρα και στη συνέχεια διόρθωση των εικόνων στην επιφάνεια βάσει της μεθόδου Tasumi et al. (2008)[4] για την διόρθωση της επιφανειακής ανακλαστικότητας για το ορατό στα μικροκύματα.
- Διορθώσεις γεωμετρίας.
6. Μεθοδολογία:
Τόσο για τις ανάγκες του νέου μαθηματικού μοντέλου, όσο και του ευφυούς συστήματος εφαρμόζεται το μοντέλο Monteith για τον υπολογισμό της συσσωρευμένης βιομάζας και το μοντέλο METRIC για τον υπολογισμό του κλάσματος της εξάτμισης και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής. Με τη χρήση του μοντέλου Monteith υπολογίζεται η συσσωρευμένη βιομάζα σε χρόνο t ως εξής: (kg/ m) (1) ,όπου APAR(t) είναι η απορροφούμενη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία σε χρόνο t (Wm-2)- συναρτήσει του NDVI (κανονικοποιημένη διαφορά του δείκτη βλάστησης-κανάλια 3 και 4 στον δορυφόρο Landsat) και της ηλιακής ακτινοβολίας- και της αποδοτικότητας της χρήσης φωτός ε (2) (gMJ-1), όπου ε’ ο μέγιστος συντελεστής μετατροπής για την υπέργεια βιομάζα υπό ιδανικές συνθήκες, W το κλάσμα της εξάτμισης και T1 και Τ2 συναρτήσεις θερμοκρασίας(οC). Οι τελευταίες τιμές συλλέγονται είτε μέσω δορυφορικών εικόνων, είτε μέσω των σταθμών Bowe Ratio. Όσον αφορά το κλάσμα της διαπνοής, για τον υπολογισμό χρησιμοποιείται το μοντέλο METRIC, το οποίο κάνει χρήση τόσο των δορυφορικών εικόνων, οι οποίες παρέχουν δεδομένα για την διαθέσιμη ενέργεια και τις ροές θερμότητας σε μεγάλης έκτασης περιοχές για τον υπολογισμό του ενεργειακού ισοζυγίου, όσο και μεθόδους για την εξατμισοδιαπνοή που βασίζονται σε καιρικά δεδομένα. Στα πλαίσια της δεδομένης έρευνας υπολογίζεται επίσης η πραγματική εξατμισοδιαπνοή.
