Dron nad polem, szczegółowe mapy stanu roślin w domu

Z góry widać lepiej – ta oczywista prawda tkwi u źródła wykorzystywania bezzałogowych pojazdów latających – zwanych dronami – do oceny pola i rosnących na nim roślin. Postanowiliśmy więc sprawdzić, jakie dane można uzyskać za ich pomocą. Partnerem naszego testu była firma Syngenta Polska.

 

 

Dwa obloty dronów odbyły się nad fragmentem pola pszenicy Gospodarstwa Rolno-Hodowlanego w miejscowości Mgowo koło Płużnicy. Pierwszy termin przypadł na fazę strzelania w źdźbło (9 kwietnia), a drugi przed wykłoszeniem (1-2 czerwca). Do testu zgłosiły się: firmy Agrocom Polska i Agrotechnology oraz Instytut Geodezji i Kartografii. W tym artykule prezentujemy wyniki uzyskane przez IGiK. Kolejne wkrótce.

 

 

Z dokładnością 2 i 7 cm
 

Za wykonanie nalotów dronem dla Instytutu Geodezji i Kartografii odpowiadali naukowcy z  Laboratorium Informacji Obrazowej Uniwersytetu Warszawskiego – dr Marek Ostrowski oraz mgr Michał Chyliński. Pierwszy nalot dostarczył dwa podstawowe produkty: mozaikę zdjęć przedstawiającą analizowany obszar w barwach rzeczywistych (RGB) oraz analogiczną mozaikę wykonaną kamerą hiperspektralną, obrazującą badany teren w 13 wąskich kanałach spektralnych.

Ze względu na charakterystykę wykorzystanych kamer powstał obraz  w zakresach RGB (red green blue), wykonany z rozdzielczością terenową wynoszącą 2 cm, i obraz hiperspektralny – około 7 cm. Obu zostały nadane georeferencje, a więc można dalej wykorzystywać je oraz produkty wygenerowane na ich podstawie w systemach GIS (systemy informacji przestrzennej), łącząc je z innymi dostępnymi danymi przestrzennymi. Opracowanie zostało wykonane na wczesnym etapie rozwoju pszenicy ozimej (wysokość roślin do około 15 cm).

 

Mozaika RGB

Mozaika zdjęć RGB przedstawia analizowany teren w barwach rzeczywistych, czyli dokładnie tak, jakbyśmy mogli zobaczyć pole, znajdując się ponad ziemią. – Jest to informacja czytelna w odbiorze i natychmiastowo przyswajalna, która błyskawicznie pozwala  na wykonanie podstawowej oceny stanu pola. Już na pierwszy rzut oka zauważalne są obszary o zróżnicowanym stopniu pokrycia przez rośliny, od obszarów pozbawionych roślinności, z odkrytą glebą (kolor brązowy/szary), poprzez średni stopień zagęszczenia roślin (kolor szarozielony), aż do fragmentów pola, gdzie rośliny pokrywają pole gęstą warstwą (kolor intensywnie zielony). Bardzo dobrze odwzorowane są także pasy ścieżek, po których przemieszczają się po polu maszyny rolnicze, oraz granice pola, które dzięki takiemu zobrazowaniu można bardzo precyzyjnie wyznaczyć bądź zweryfikować – podpowiada mgr Karol Paradowski, specjalista z zakresu teledetekcji z Centrum Teledetekcji Instytutu Geodezji i Kartografii. 

 

Mozaika hiperspektralna

Mozaika wykonana ze zdjęć z kamery hiperspektralnej różni się zasadniczo od mozaiki w barwach rzeczywistych. – W tym przypadku fragment pola został zobrazowany w 13 wąskich przedziałach spektralnych, w większości wykraczających poza długości fal widzianych przez człowieka i koncentrujących się na obszarze bliskiej podczerwieni (fale elektromagnetyczne o długości powyżej 700 nm). Daje to dostęp do informacji niewidocznych gołym okiem, a kluczowych z punktu widzenia oceny stanu rozwoju oraz kondycji roślin. To, co często nie będzie możliwe do zauważenia w paśmie widzialnym (400-700 nm), okazuje się mieć odzwierciedlenie w paśmie podczerwieni, a zastosowanie wielu wąskich przedziałów w tym zakresie pozwala bardzo precyzyjnie uchwycić i ocenić sytuację na polu i w przypadku wystąpienia zjawisk niepożądanych (zła kondycja roślin spowodowana czynnikami stresogennymi, takimi jak np. susza, choroby, szkodniki, niewłaściwe ilości nawozów) szybko i precyzyjnie na nie zareagować – mówi prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska-Zielińska, kierownik Centrum Teledetekcji Instytutu Geodezji i Kartografii.

 

 

Wskaźniki roślinności: NDVI i MSAVI

W opracowaniu IGiK czytamy, że na podstawie zobrazowania hiperspektralnego można wykonać szereg obrazów przedstawiających wartości wskaźników czułych na wahania stanu wegetacji. Do najpopularniejszych z nich należy „Znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji” NDVI. Bazuje on na kontraście między największym odbiciem promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni a jego absorpcją w paśmie czerwonym. Wskaźnik przyjmuje wartości z zakresu od -1 do 1, a jego wysoka wartość odpowiada obszarom pokrytym bujną wegetacją, o dobrej kondycji. Modyfikacją NDVI jest MSAVI zmniejszający wpływ odkrytej gleby na wartości, które przyjmuje wskaźnik, co w precyzyjniejszy sposób pozwala ocenić kondycję roślin.

Duża liczba dostępnych kanałów spektralnych pozwala też utworzyć wskaźniki operujące na długościach fali z zakresu tzw. „red edge”, takie jak: RENDVI i  VREI1. Dzięki nim określa się sytuacje stresogenne roślin oraz zawartość chlorofilu i wody w roślinach.

 

Mapa stanu roślinności

Dane zebrane po pierwszym nalocie dronem (9 kwietnia) pozwoliły naukowcom z Instytutu Geodezji i Kartografii na wykonanie analizy, której efektem była mapa obrazująca aktualną sytuację roślinności na polu. Na jej podstawie można m.in. łatwo określić powierzchnie, gdzie są ubytki roślinności, czyli miejsca, gdzie do końca sezonu nie warto stosować nawozów.

Natomiast w czasie drugiego nalotu (1 czerwca) użyto kamery wielospektralnej, hiperspektralnej w 13 tożsamych z pierwszym nalotem kanałach oraz termalną. Dodatkowo  wykonano pomiary naziemne w 20 punktach referencyjnych. Wyznaczono je na podstawie gęstości, wysokości oraz zabarwienia pszenicy. Dokonano pomiarów: wysokości roślin, powierzchni projekcyjnej liści (pomiar umożliwiający następnie szacowanie biomasy i prognozowanie plonów) oraz wilgotności gleby. Zrobiono to za pomocą specjalistycznej aparatury posiadanej przez Instytut Geodezji i Kartografii. 

 

– Dane naziemne zostały skorelowane z danymi lotniczymi w celu opracowania mapy wilgotności pola, szacowania aktualnej wielkości biomasy i prognozowania plonów, jak również do określenia stanu fitosanitarnego pola. Zauważono znaczne zróżnicowanie wysokości roślin (od średnio 50 do 70 cm), zmienną gęstość roślin na polu oraz zabarwienie uprawy – podsumowuje mgr Karol Paradowski.

 

Ocena fitosanitarna upraw

Specjaliści z zakresu teledetekcji Instytutu Geodezji i Kartografii prognozują możliwości wykorzystania danych teledetekcyjnych – lotniczych i satelitarnych do sporządzania oceny fitosanitarnej pola. – Na podstawie wskaźników roślinnych wyprowadzonych z tych danych, możliwa jest detekcja czynników stresogennych upraw. Ocenia się, że systemy teledetekcji lotniczej i satelitarnej mogą być bardzo pomocne przy ocenie stopnia zachwaszczenia pola oraz porażenia szkodnikami. Opracowanie metodyki oceny fitosanitarnej upraw jest jednym z głównych celów projektu ASAP, koordynowanego przez IGiK – mówi Martyna Gatkowska Zastępca Kierownika Centrum Teledetekcji Centrum Teledetekcji Instytut Geodezji i Kartografii.

– Jesteśmy bardzo ciekawi na ile technologia ta znajdzie zastosowanie jako narzędzie wspierające rolników przy planowaniu zabiegów ochrony. Był to główny powód, dla którego podjęliśmy współpracę z Rolniczym Przeglądem Technicznym przy niniejszych testach – mówi Sylwia Łojewska z Syngenta.

 

– Systemy rolnictwa precyzyjnego stają się coraz ważniejszym narzędziem w rękach producentów rolnych, pozwalającym na zwiększenie efektywności wykonywanych prac, racjonalizację ich kosztów oraz zminimalizowanie negatywnego wpływu na środowisko. Jednym z elementów tego systemu jest coraz powszechniejsza możliwość pozyskiwania kompleksowej informacji o obszarach upraw z pułapu nadziemnego, zarówno satelitarnego, lotniczego, jak i najniższego, obsługiwanego przez zdalnie sterowane drony wyposażone w aparaturę obrazującą – mówi mgr Martyna Gatkowska, Centrum Teledetekcji Instytutu Geodezji i Kartografii.