Teledetekcja w rolnictwie

Efekty upraw rolniczych zależą nie tylko od żyzności gleby i warunków meteorologicznych, ale przede wszystkim od terminowych i odpowiednio przeprowadzonych zabiegów nawożenia, ochrony i nawadniania. Podejmowanie trafnych decyzji w tym zakresie zależy od właściwej diagnozy potrzeb i zagrożeń dla danej uprawy. Rolnictwo precyzyjne, wykorzystujące najnowsze osiągnięcia nauk technicznych w dziedzinie fotogrametrii i teledetekcji, umożliwia nie tylko precyzyjne odtworzenie kształtu pól, ale także szybką diagnozę stanu gleby i upraw. Tego rodzaju techniki mają szczególne znaczenie w gospodarstwach wielkoobszarowych, gdzie możemy uzyskać precyzyjne dane dla każdego fragmentu pól i na tej podstawie precyzyjnie aplikować nawozy czy środki ochrony roślin, co przekłada się na efekt jakościowy i ekonomiczny plonu.

Nowoczesne badania diagnostyczne

Fotogrametria jest działem nauki umożliwiającym odtwarzanie kształtów i rozmiarów pól na podstawie zdjęć fotogrametrycznych wykonywanych najczęściej z samolotów, dronów lub satelitów. Systemy informacji przestrzennej (GIS) umożliwiają gromadzenie danych i przechowywanie oraz tworzenie map cyfrowych obszarów rolniczych [1]. Z kolei teledetekcja zajmuje się zdalnym pozyskiwaniem, przetwarzaniem i interpretowaniem informacji o jakości gleby i roślin uprawnych. Teledetekcja wykorzystuje słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne odbite przez atmosferę oraz od obiektów na powierzchni ziemi w zakresach spektrum elektromagnetycznego: widzialnego i podczerwieni, [2, 3]. Każdy obiekt odbija promieniowanie elektromagnetyczne w charakterystyczny sposób, a wykres takiego odbicia nazywa się krzywą spektralną (rys. 1). Przebieg krzywej spektralnej roślinności w zakresie widzialnym (0,4 – 0,7 μm) ma minima w przedziale niebieskim (0,4 – 0,5 µm) i czerwonym (0,6 – 0,7 µm) oraz maksimum w zakresie zielonym (0,5 – 0,6 µm).

Zmiana kondycji roślin uwidacznia się modyfikacją krzywej spektralnej. Wielkość odbicia lub pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego (światła) przez rośliny zależy głównie od barwników jakie zawierają (np. chlorofilu), struktury komórkowej i zawartości wody. To zjawisko wykorzystuje się do oceny stanu rośliny. Przykładowym wskaźnikiem o szerokim zastosowaniu diagnostycznym jest wskaźnik LAI – czyli wskaźnik, który określa stopień pokrycia powierzchni pola przez liście rośliny (np. kukurydzy) i jest ściśle skorelowany z zawartością chlorofilu i kondycją rośliny, a tym samym z wielkością plonu.

Metoda badań teledetekcyjnych

Podstawą badań teledetekcyjnych są zdjęcia spektralne, czyli fotografie rejestrujące odbicie światła od obiektów w zakresie światła widzialnego i nierejestrowanego ludzkim okiem (np. bliska podczerwień). Zdjęcia spektralne można pozyskać z satelity lub kamer spektralnych (skanerów, czujników) montowanych na samolotach, wiatrakowcach czy dronach. Zdjęcia satelitarne mają rozdzielczość ok. 10 m, natomiast zdjęcia uzyskane z kamer umieszczonych w samolotach są dokładniejsze (rozdzielczość nawet do 25 cm), co pozwala na identyfikację małych obiektów np. roślin uprawnych.

Zdjęcie spektralne pozwalają na wyznaczenie krzywych spektralnych oraz obliczenie wskaźników spektralnych obiektów. W zależności np. od uwilgotnienia roślin czy zawartości chlorofilu można tworzyć mapy wskaźników spektralnych dotyczących nawodnienia, czy kondycji roślin lub np. zawartości azotu w glebie. Takie mapy są elementem wyposażenia maszyn w rolnictwie precyzyjnym i są np. podstawą do precyzyjnej aplikacji środków ochrony lub nawozów w tych punktach pola, gdzie występują niedobory składnika (np. azotu) czy zagrożenia fitosanitarne. Te nowoczesne metody obrazowania mogą służyć wspomaganiu decyzji w produkcji rolniczej lub mogą być narzędziem kontroli programów rolno-środowiskowych.

Nowoczesne narzędzie badań teledetekcyjnych

Doskonałym narzędziem monitorowania stanu roślin uprawnych, szczególnie w dużych gospodarstwach rolnych mogą być systemy spektralne montowane na statkach powietrznych. Mapy wykonane na podstawie takich zdjęć pokazują warunki na całym polu, a nie tylko w wybranych punktach, jak to jest w przypadku badań naziemnych. W projekcie „Opracowanie innowacyjnej metody monitorowania stanu agrocenozy z wykorzystaniem teledetekcyjnego systemu wiatrakowca, w aspekcie rolnictwa precyzyjnego” (akronim GYR0SCAN*), (finansowany przez NCBiR) opracowano system wspomagania decyzji podejmowanych przez rolników w zakresie określania potrzeb zabiegów nawadniania, nawożenia oraz ochrony w kontekście wymagań i celów rolnictwa precyzyjnego. W projekcie wykorzystano kamery hiperspektralne rejestrujące pasma promieniowania  elektromagnetycznego o długości 400- 2500 nm (rys.3). Nośnikiem tych kamer jest ultralekki statek powietrzny produkcji polskiej (Aviation Artur Trendak) – wiatrakowiec TAURUS o niskich kosztach użytkowania (paliwem jest benzyna) i prostych zasadach eksploatacji (rys. 3). Wyposażony jest w system nawigacji satelitarnej umożliwiający rejestrację ścieżek lotu i wykonywania raportów (rys. 4) oraz w dwie kamery hiperspektralne (rys.5).

Wiatrakowiec może lądować i startować na polu, bez korzystania z profesjonalnych lotnisk. Posiada duży zakres możliwych wysokości lotu (od kilku do 4500m nad powierzchnią pola), co umożliwia uzyskanie optymalnej rozdzielczości przestrzennej. Funkcjonalnie przewyższa samoloty i mało wydajne drony.

W projekcie opracowano diagnostykę zagrożeń upraw (pszenica, kukurydza), lasów i łąk.

Niektóre wyniki badań teledetekcyjnych

Na podstawie danych hiperspektralnych obliczono wskaźniki roślinności (np.LAI, NDVI, NDRE), które były też podstawą do prognozowania plonów i oceny kondycji roślin w poszczególnych fazach rozwoju [4,5]. Wykonano przykładowo: mapy biomasy świeżej, zawartości azotu w glebie, wilgotności roślin i gleby itp. Wartości wskaźników hiperspektralnych pozwoliły określić niedobory bądź nadmiar makroskładników w glebie (rys.6), stan fitosanitarny roślin w różnych miejscach pola i kondycji kukurydzy uprawianych w systemie orkowym i bezorkowym, a także w różnych technologiach nawożenia, w tym przy wykorzystaniu ścieków po produkcji drożdży.

W badaniach w lasach wychwycono strefy zagrożenia chorobami grzybowymi oraz strefy żerowania szkodników. Opracowano bibliotekę odbić spektralnych dla jednorodnego obszaru leśnego, oraz uszkodzonego przez korzeniowca sosnowego (rys. 7),brudnicę mniszkę, a także korowca sosnowca i żerdzianki. Wyznaczono obszary referencyjne drzewostanów zdrowych i zarażonych. Wizualna analiza kompozycji barwnych pozwoliła na jednoznaczne wyznaczenie drzewostanów zdrowych oraz uszkodzonych przez badane patogeny.

Do oceny stanu degradacji łąk wykorzystano rejestrację widma hiperspektralnego pozyskanego z pokładu wiatrakowca i badania naziemne. Miarą degradacji jest różnorodność florystyczna w połączeniu z analizą użytkowania łąk. Dokonano też próby wykorzystania obrazów satelitarnych z satelity Sentinel-2 do opracowania mapy warunków wzrostu, np. na podstawie wskaźnika NDVI pozyskanego ze zdjęć satelitarnych; klasyfikacji łąk, ze względu na liczbę pokosów w sezonie [6]. Badania te pozwoliły też zbadać potencjał produkcyjny łąk (rys.8).

Podsumowanie

Zintegrowany system teledetekcji do monitorowania ekosystemów rolniczych zainstalowany na wiatrakowcu umożliwił utworzenie bazy danych w formie elektronicznej. Dzięki rejestracji widma hiperspektralnego można na bieżąco monitorować rozwój upraw, prognozować plony, obserwować skutki zabiegów agrotechnicznych, precyzyjnie (według mapy instalowanych w komputerze pokładowym rozsiewaczy nawozowych) aplikować nawozy w miejscach niedoboru składników, rejestrować zawartość wody w roślinach i glebie (podstawa pomocy suszowej), a także jest możliwy podgląd granic działek ewidencyjnych i danych meteorologicznych. Dzięki opracowanej aplikacji, obsługiwanej z poziomu przeglądarki, odbiorca monitoringu otrzymuje wyniki z dużego obszaru na tyle szybko, że jest możliwa interwencja w przypadku zagrożeń. Tak więc, technologia monitoringu roślin uprawnych, użytków zielonych czy lasów oparta na wykorzystaniu czujników spektralnych  jest technologią umożliwiającą szybką i nieinwazyjną diagnostykę obiektów rolniczych, co jest podstawą bezpiecznej dla środowiska i zrównoważonej produkcji rolniczej.

*Projekt realizowany był przez konsorcjum składające się z czterech placówek naukowych (Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Instytut Geodezji i Kartografii w War­szawie oraz Instytut Ochrony Roślin – PIB w Poznaniu), a także trzech partnerów przemysłowych (Aviation Artur Trendak, Geosystems Polska sp. z o.o. i Lesaffre Polska SA).

Spis rysunków:

Rys. 1 Krzywa spektralna dla gleby, roślin zielonych i wody [2]
Rys. 2. Wskaźnik LAI powierzchni liści pszenicy (jaśniejsze plamy- rośliny z mniejsza powierzchnią liści)
Rys. 3. Wiatrakowiec Taurus w trakcie lotu i skanowania pól.
Rys. 4. Raport ścieżek lotu wiatrakowca nad polem.
Rys. 5. W kabinie wiatrakowca – kamery hiperspektralne
Rys.6. Mapa zawartości azotu w pszenicy oparta na wskaźniku NRI (0-0,7) (w maju 28)
Rys. 7 Drzewostan zdrowy i uszkodzony przez korzeniowca sosnowego (zielone smugi)
Rys.8. Badania zróżnicowania florystycznego łąk i ich produkcyjności  w Dolinie Wieprza

Bibliografia:

1. Gazdowski D., St. Samborski, S. Sioma. Rolnictwo precyzyjne. Wyd. SGGW Warszawa.2007.
2. Zbiorowa. Geomatyka w Lasach Państwowych. Część I. Podstawy. Wyd. Lasy Państwowe. 2010.
3. Samborski St. (pod red). Rolnictwo precyzyjne. PWN Warszawa. 2018
4. Bzowska-Bakalarz M., a. Bieganowski.  2019.Diagnoza z wiatrakowca. Przedsiębiorca Rolny 5 (55) maj s. 92-93
5. Andrzej Bieganowski,a† Karl-Heinz Dammer,b† Anna Siedliska,*Małgorzata Bzowska-Bakalarz,c Paweł K Bereś,d Katarzyna Dąbrowska-Zielińska,e Michael Pflanz,b Michael Schirrmannb and Andreas Garzb. Sensor-based outdoor monitoring of insects in arable crops for their precise control. Pest Manag Sci 2021; 77: 1109–1114
6. Kulik M., Warda M., Bochniak A., Stamirowska-Krzaczek E., Turos P., Dąbrowska-Zielińska K., Bzowska-Bakalarz M., Bieganowski A., Trendak M., 2019. The species diversity of grasslands in the Middle Wieprz Valley (PLH060005) depending on meadow type and mowing frequency. Rocznik Ochrona Środowiska, vol. 21, 543-555