Zdalne techniki oceny kondycji roślin

Nowoczesne metody obrazowania coraz częściej wykorzystywane są w rolnictwie i promowane przez Komisję Europejską. Mogą służyć na przykład do kontroli przestrzegania realizacji programów rolno-środowiskowo-klimatycznych, ubiegania się o dotacje, a także być elementem wspierania decyzji.

 

Podstawą badań teledetekcyjnych są zdjęcia spektralne czyli fotografie rejestrujące odbicie światła od obiektów nie tylko w pełnym zakresie światła widzialnego, ale także nierejestrowanego ludzkim wzrokiem (np. podczerwieni). 

 

Miarą czytelności takich zdjęć jest parametr ich rozdzielczości geometrycznej, czyli rozmiar piksela (najmniejszego elementu obrazu) podany w jednostkach terenowych. Najłatwiej dostępne i najbardziej popularne zdjęcia satelitarne mają rozdzielczość 10 m. Zdjęcia uzyskane ze sprzętu umieszczonego w samolotach są dokładniejsze i pozwalają na uzyskanie rozdzielczości nawet 25 cm. 

 

Oznacza to, że przy rozdzielczości 10 m możemy nie dostrzec na zdjęciu niewielkiego budynku, podczas, gdy rozdzielczość 25 cm i wyższe zapewniają możliwość identyfikacji na zdjęciach obiektów o mniejszych rozmiarach (np. samochód, pojedyncze drzewo itp.)

 

Nowe narzędzie dla rolnika

 

Teledetekcja to rodzaj badań wykonanych z odległości (zdalnie), przy wykorzystaniu specjalistycznych „skanerów” (kamer). Rejestrują one światło słoneczne odbite przez badane obiekty, np. pszenicę, kukurydzę czy roślinność łąkową. 

 

Wielkość odbicia i pochłaniania światła (promieniowania elektromagnetycznego) przez rośliny zależy od barwników jakie zawierają (głównie chlorofilu), struktury komórkowej i zawartości wody. I właśnie to zjawisko wykorzystuje się do oceny kondycji roślin i coraz częściej do wspomagania decyzji w rolnictwie precyzyjnym – głównie w zakresie nawożenia, ochrony roślin, nawadniania i szacowania wielkości pozyskanej biomasy. 

 

Pochłanianie i rozpraszanie światła, w zależności od obiektu i długości fali w paśmie widzialnym lub niewidzialnym (np. bliska podczerwień), pozwala na wyznaczenie tzw. krzywych spektralnych oraz wskaźników spektralnych. 

 

Rośliny zawierające w liściach chlorofil, są bardzo dobrym reflektorem pasma bliskiej podczerwieni, które jest składnikiem światła słonecznego. Jest to pasmo niezauważalne dla ludzkiego oka, ale rejestrowane przez skanery stosowane w teledetekcji. Pasmo podczerwieni to tylko jeden z przykładów zastosowania szerokiego spektrum energii słonecznej do wykrywania zjawisk na powierzchni Ziemi. 

 

W zależności od stopnia uwilgotnienia, zawartości chlorofilu i wielu innych cech można tworzyć mapy wskaźników dotyczących, np. kondycji roślin, nawodnienia czy zawartości azotu w glebie.

 

Teledetekcyjne metody pomiaru terenu i obiektów przestrzennych pozwalają na odtwarzanie ich kształtów, wymiarów i wzajemnego położenia na podstawie zdjęć. Bardzo szybką ocenę stanu roślin uprawnych umożliwiają systemy spektralne montowane na statkach powietrznych, co ma szczególne znaczenie w przypadku dużych gospodarstw rolnych. 

 

Skala i rozdzielczość zdjęć uzyskanych z kamer umieszczonych w samolocie zależą od wysokości, z której są pomiary prowadzone. Mapy wykonane na podstawie zdjęć bezpośrednio pokazują warunki na całym polu, bez konieczności ekstrapolacji uzyskanych danych, jak w przypadku pomiarów naziemnych wykonywanych tylko w wybranych punktach.

 

Nauka praktyce

 

W ramach projektu pt. „Opracowanie innowacyjnej metody monitorowania stanu agrocenozy z wykorzystaniem teledetekcyjnego systemu wiatrakowca, w aspekcie rolnictwa precyzyjnego” (akronim GYROSCAN) finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, opracowano technologię pozyskiwania zdjęć hiperspektralnych umożliwiających diagnostykę zagrożeń w uprawach, lasach i łąkach. 

 

Projekt ten realizowany jest przez konsorcjum składające się z czterech placówek naukowych: Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie, Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie, Instytutu Geodezji i Kartografii w Warszawie i Instytutu Ochrony Roślin – PIB w Poznaniu oraz trzech partnerów przemysłowych: Aviation Artur Trendak, Geosystems Polska Sp. z o.o. i Lesaffre Polska S.A. 

 

Celem projektu było opracowanie systemu wspierania decyzji (DSS–Decision Support System) podejmowanych przez rolników w zakresie określania potrzeb zabiegów nawadniania, nawożenia oraz ochrony w kontekście wymagań i celów rolnictwa precyzyjnego.

 

Do badań wykorzystywano dwa skanery hiperspektralne o zakresie pomiarowym od 400 do 2500 nm (dla porównania: światło widzialne dla człowieka to przedział od około 400 do około 700 nm). Skanery te montowano na pokładzie wiatrakowca – ultralekkiego załogowego statku powietrznego produkowanego przez Aviation Artur Trendak. 

 

Skanery mają taki kąt obrazowania, że przy wysokości lotu 400 m można pozyskać obraz o szerokości do 230 m, co pozwala uzyskać średnią wydajność skanowania na poziomie ok. 15 ha/minutę lotu. 

 

Należy dodać, że wiatrakowiec może porusza się w niekontrolowanej przestrzeni powietrzne, czyli dużo swobodniej niż samolot. Pomijając dużo niższe koszty (paliwem jest zwykła benzyna), funkcjonalnie przewyższa on zarówno samoloty, jak i coraz bardziej popularne, ale wciąż mało wydajne drony. 

 

Co wynika z badań?

 

Na podstawie uzyskanych danych hiperspektralnych otrzymuje się cenne wskazówki dla rolnika w postaci map różnych wskaźników roślinności (np. NDVI – znormalizowany różnicowy wskaźnik roślinności, LAI – wskaźnik powierzchni liści, NDRE – znormalizowany różnicowy wskaźnik w zakresie promieniowania czerwonego i podczerwieni itd.), map biomasy świeżej, zawartości azotu w glebie, wilgotności gleby czy zagrożenia powodziowego. 

 

Otrzymane obrazy są udostępniane w odpowiedniej, prostej wizualnej kompozycji barwnej, czytelnej i łatwej do interpretacji. Wartości wskaźników pozwalają określić warunki glebowe (np. niedobory makroskładników) oraz stan roślin i zagrożenie fitosanitarne w różnych miejscach pola.

 

W projekcie dane hiperspektralne posłużyły m.in. do klasyfikacji zbiorowisk łąkowych w kontekście ich użytkowania oraz do monitorowania bioróżnorodności. Przykładowe mapy zobrazowań przedstawiono na rys. 1. W obrębie badanego obszaru łatwo dostrzec „niebieskie” łąki po skoszeniu. Takie dane mają szczególne znaczenie przy ocenie produktywności łąk oraz w zakresie dopłat w ramach „Działania rolno-środowiskowo-klimatycznego” Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich.

 

W badaniach lasów otrzymano mapy pozwalające na wychwycenie anomalii, np. zagrożenia chorobami grzybowymi i ze strony szkodników, na dużym obszarze leśnym. 

 

Poza badaniami na terenach łąkowych i leśnych skanowaniem objęto pola uprawne kukurydzy i pszenicy. Przykład obiektu testowego przedstawiono na rys. 2 (mapa kondycji roślin dla 4 wariantów technologii uprawy oznaczonych numerami) i na rys. 3 (zdjęcie pola pszenicy w podczerwieni dokładniej niż w barwach naturalnych obrazujące różnice w kondycji roślin). Jaśniejsze miejsca uwidaczniają gorsze warunki wzrostu roślin spowodowane nieodpowiednim nawodnieniem.  

 

Ocena zawartości wody z pułapu lotu wiatrakowca może być wsparciem w programach dopłat suszowych, a ocena zawartości azotu w glebie umożliwi dostosowanie precyzyjnej dawki nawożenia pogłównego – zgodnie z rzeczywistymi warunkami środowiskowymi  (możliwość wykorzystania mapy w komputerze pokładowym ciągnika). 

 

Ponadto, dzięki dodatkowemu systemowi zamontnowanemu obok kamer hiperspektralnych, możliwe jest otrzymanie danych wysokościowych (Numeryczne Modele Pokrycia Terenu) reprezentujących rzeźbę terenu wraz z uprawami, co pozwala udokumentować także wzrost roślin i poszerza obszar zastosowań systemu teledetekcyjnego.  

 

Ramka 

Po zarejestrowaniu widma hiperspektralnego można na bieżąco monitorować rozwój upraw, obserwować skutki pogody i zabiegów agrotechnicznych, a także wyciągać wnioski z danych historycznych. Wartości wskaźników spektralnych dostarczają informacji o zagrożeniach i mogą być pomocne w podejmowaniu decyzji o rodzaju, terminie, a także zakresie przeprowadzenia koniecznych zabiegów agrotechnicznych. Możliwy jest też podgląd granic działek ewidencyjnych oraz danych meteorologicznych. Wyniki udostępniane są odbiorcy za pośrednictwem serwisu internetowego. Dzięki opracowanej aplikacji obsługiwanej z poziomu zwykłej przeglądarki internetowej odbiorca usługi monitoringu uprawy może podejrzeć mapy swojego obszaru niezależnie od systemu operacyjnego.