Távérzékelés a mezőgazdaságban
A precíziós mezőgazdaság fő törekvése a termőföldek helyfüggő művelése az optimális termésmennyiség elérése céljából. A precíziós gazdálkodás egyik alapfeltétele egy korszerű, naprakész információs rendszer kialakítása, amely a haszonnövény termesztési területéről, a talaj és a növény állapotáról, annak fejlődéséről szolgáltat információkat. Ilyen jellegű információs rendszer felállításához nélkülözhetetlen a modern adatnyerési és elemzési technológiák alkalmazása. Az utóbbi évtizedek műszaki tudományainak erőteljes fejlődése olyan új eszközöket, adatnyerési és technológiai megoldásokat kínál, melyek az életünk szinte minden területét forradalmasította, így a mezőgazdaságban is gyökeres változásokhoz vezetett.
A távérzékelés a leghatékonyabb eszköz a földfelszín felmérésében és változásainak nyomon követésében.
Földmegfigyelő rendszerek a földkörüli pályán, valamint talajdegradáció hatása a növényfejlődésre különböző felbontású felvételeken: Landsat TM (30 m), Sentinel2 (20 m), UAV felvétel (8 cm)
Az első erőforrás kutató műhold megjelenése óta (1972) több, mint év telt el. Azóta az adatnyerési és kiértékelési technológiák rohamosan fejlődnek, és ennek köszönhetően egyre növekvő mennyiségű és minőségű adatot biztosítanak a felhasználók számára. Egyre több és egyre jobb térbeli és spektrális felbontású műholdas szenzor működtetésével növekszik a Földre vonatkozó globális adatbázis. Az űrfelvételek részletesek (1 - 30 m pixel méret) és ugyanakkor nagy (5000 - 36 000 km2-es) területekről homogén, néhány (2-3) naponként megismétlődő adatokatt biztosítanak, olyan adatokat melyek hűen tükrözik vissza a földfelszín elemeit (növények, talaj, vizek) és azok állapotát. A közepes felbontású (10-30 m) műholdas adatok szabadon érhetők el, valamint a használatukat elősegítő információs anyagok is hozzáférhetők.
A távérzékelési adatok egyik legnagyobb felhasználója, és egyik legtöbb gyakorlati hasznot hozó területe a mezőgazdaság. A termesztett növények spektrális tulajdonságai (és egyben felvételen való megjelenés) a növényfajtól, a növényzet állapotától és fejlettségétől függenek. Ez lehetőséget ad a különböző növénykultúrák térképezésére, állományukban bekövetkezett fejlettségi eltérések kimutatására. Ezek a mérések önmagukban is értékesek a mezőgazdaság számára és gyakran a távérzékelési adatok tematikus kiértékelésének célját képezik, de egyben alapvető információként használhatók fel a termésbecslési modellek kidolgozásában, táblán belüli heterogenitás térképezésében, vagy helyspecifikus kezelésekben. Az eddigi tapasztalatok alapján a távérzékelés lehetővé teszi a növényzet biofizikai állapotáról, talajról, térben és időben lejátszódó folyamatokról információ gyűjtését nagy területeken néhány napos gyakorisággal. Távérzékelt felvételekre jellemző rendkívül jó a térbeli mintavételezés, ami azt jelenti, hogy minden pixelnyi területről kapunk információt pl. Sentinel2 esetén minden 100 m2-ről. Műholdas felvételek alkalmasok táblán belüli monitoringra, így a precíziós mezőgazdaság támogatására.
Műholdas felvételek alkalmazási lehetőségek
Növény fejlődésének nyomon követése
- Növénymonitoring
- Állapot felmérés
- Fejlődési eltérések térképezése
- Problémák felderítése (gombás, bakteriális vagy vírusos fertőzés, kártevők, vadkár, tápanyaghiány)
- Stresszhatások
- Szélsőséges vízháztartási helyzetek (aszály, túlnedvesedés, ár- és belvíz)
- Tápanyaghiány
- Termésbecslés
Talaj variabilitás (táblán belüli) térképezése
- Degradáció (erózió, szikesedés)
- Tápanyaellátási eltérések (szervesanyag tartalma)
- Nedvességtartalom
Táblán belüli kezelési egységek (zónák) detektálása
Növényállapot és stressz hatásának detektálása távérzékelési módszerekkel
A távérzékeléssel nyert adatok a növénytermesztésben többféleképpen hasznosíthatók: a fő haszonnövények megkülönböztetésére, azonosítására és területük felmérésére, a növények fejlődésének nyomon követésére, egészségi állapotuk kimutatására, a fő haszonnövények termésének becslésére. A termesztett növények és területük feltérképezése a növényzet által visszavert energia mérésén alapul. Egyes biológiai folyamatok során (pl. fotoszintézis) a növény felhasználja a Napból származó energiát, ami azt jelenti, hogy az elektromágneses energia egyes tartományait nagyobb mértékben nyeli el, másokat pedig visszaver. Az egészséges növény levelei erősen abszorbeálják a kék és a vörös fényt, míg a zöld tartományban sugárzott energiát nagyobb mértékben verik vissza. Mivel a látható tartomány zöld sávjában legnagyobb a visszaverés, ezért a szemünk az egészséges vegetációt zöld színben látja. Ha egy növény valamilyen káros hatástól szenved (betegség, szárazság) akkor csökken a fotoszintézis üteme és lelassul a növekedése, ami a növényzet spektrális tulajdonságainak változását eredményezi. A hosszabb ideig tartó stressz hatását szemmel is láthatjuk – a levelek sárgulnak, vagyis a vörös és a zöld fény hasonlóan verődik vissza.
Növénymonitoring eredménye: Sentinel2 2022.06.21-én és 2022.28.07-én készült felvételek és az NDVI-alapú elemzés eredményei. A 0,35-nél nagyobb NDVI-értékkel rendelkező pixelek színnel vannak jelölve. Vegetációs időszakban (kukorica) mért vegetációs index értékeinek diagramja.
A fenti ábrán az aszály hatása látható a kukorica fejlődésére. Vízhiány következtében a vegetációs index (NDVI) értékei csökkenő tendenciát mutatnak 2022.06.21 után az előző évhez képest (2019), amikor elegendő vízellátás volt a növények növekedéséhez.
A közeli infravörös tartományban a reflektancia (visszaverődés) ugrásszerű megemelkedése a levelek sejtszerkezetének tulajdonítható. Ez lehetőséget ad egyes fajok elkülönítésére még akkor is, ha a látható spektrum tartományban azok nagyon hasonlítanak egymásra. A közép infravörös tartományban tapasztalt elnyelődés a levelekben lévő víz-abszorpció következménye. Bármilyen külső befolyás (pl. betegség, szárazság) ezeknek a jellemzőknek a változását eredményezi. Környezeti terhelés hatására nemcsak a növény vitalitása változik, de a növény spektrális tulajdonságai is, ami műholdak vagy repülőgépek fedélzetén elhelyezett szenzorokkal detektálható, majd ezután megjeleníthető és számszerűsíthető. A növényi stressz hatásának korai felismerése nagyon fontos a hatékony kezelési stratégia kidolgozásához.
Különböző növényfajok (piros szín és árnyalatai) hamisszínes műholdas felvételen (LANDSAT TM), valamint stresz hatások: erózió és belvíz okozta növény károsadás (Sentine2), vízhiány következtében kialakult növény károsadás (UAV, öntözési rendszer probléma)
A távérzékeléssel nyert adatok nem csak a különböző haszonnövények elkülönítésére alkalmasak. Ennél sokkal több információt közvetítenek a növényekről, többek között a növény fejlődési állapotáról, vitalitásáról, a növényzetben keletkezett károkról, tápanyag- és víz ellátásáról stb. A károsodott, a környezeti stressz hatásoknak kitett növényzet összetételében, szerkezetében vagy tömegében bekövetkezett bármilyen változás a reflektancia viszonyok megváltozását vonja maga után. Ennek következtében a károsodott növények az egészséges állománytól elkülöníthetők.
Távérzékelés a vegetációmentes időszakban
A távérzékelési adatok talajtani célú interpretációja azon felszíni tulajdonságok megfigyelésén, értelmezésén alapszik, amelyek jellemzőek az adott talajviszonyokra, vagy valamilyen módon összefüggésben vannak a talaj kialakulásával, megjelenésével. A földfelszínt érő elektromágneses sugárzás visszaverődése a talaj összetételétől (pl.: szervesanyag-tartalom, nedvesség, talajképző kőzet, színes vegyületek jelenléte, szemcsék mérete stb.) és a talaj pillanatnyi állapotától függ. A felszín nedvességtartalma az egyik leggyorsabban változó paraméter, ami nemcsak a talaj fizikai, kémiai, biológiai adottságaitól, de a környezeti hatásoktól is erősen függ.
A talajdegradáció (pl. erózió, szikesedés) vagy a minőség javulás (természetes talajképző folyamatok, emberi beavatkozás) a talaj biológiai és fizikai tulajdonságainak változásával jár, ami a spektrális tulajdonságok módosítását jelenti és távérzékeléssel kimutatható. A felületi rétegerózió pusztításaként felszínre kerülő talajrétegek legtöbbször, például, eltérnek színben a nem erodált változatuktól, így a felvételeken elkülöníthetők.
Talaj degradáció különböző vegetációmentes időszakban készült Sentinel2 felvételeken, valamint a terület domborzati jellemzői.
Alkalmazási lehetőségek
- Táblán belüli heterogenitás térképezése
- Terület adottságainak felmérése
- Talajállapot
- Talajdegradáció
- időben nem, vagy csak lassan változó tényezők (pl. erózió)
- degradáció felismerése és térbeli kiterjedésének pontos térképezése
- valamilyen események hatására fellépő problémák (pl. belvíz) és hatásuk a növényfejlődésre
Tematikus információ beépítése a döntéshozatalba (talajmintavételezés, talajvédelmi beavatkozások, stb.)
- A talajminőségi kategóriák elhatárolása pontosabb, megbízhatóbb
- A talajminta helyének optimális kijelölése (jobban jellemzi az adott termőhelyi egységet)
- Talajvédelmi beavatkozások tervezése
- Művelés tervezése
Index-alapú információ nyerés
A távérzékelés növénytermesztési alkalmazása a detektált adatok és a vegetáció biológiai állapota közötti kapcsolatelemezésen alapul. Ilyenkor a növényzet biológiai állapotát valamilyen paraméterrel jellemezzük, mint pl. százalékos talajfedettség, vegetációs indexek. A leggyakrabban a növényi jellemzők és a spektrális adatok kapcsolatát un. vegetációs indexekkel közelítik meg. A klorofilltartalom egyik legfontosabb jellemzője a növényeknek. Amennyiben a vegetációs időszakban ezt nyomon tudjuk követni, állandó információnk van a növények egészségi állapotáról. A klorofill tartalom mennyiségének jó mérőszáma az infravörös tartományban a növények levélzetéről visszavert elektromágneses sugárzás mennyisége. A vegetációs indexekkel éppen az infravörös és a vörös hullámhossz tartományban visszavert értékek arányát fejezzük ki (pl. NDVI), amely viszont a növényi egészség (vitalitás) mértékéről ad számunkra tájékoztatást. A károsodott, a környezeti stresszhatásoknak kitett növényzet összetételében, szerkezetében vagy tömegében bekövetkezett bármilyen változás a reflektancia viszonyok megváltozásával jár. Az egészséges és a beteg állományok reflektancia viszonyai között a legjelentősebb eltérés a közeli infravörös tartományban (NIR) tapasztalható (erőteljes csökkenés). A látható spektrum tartományban (0,6-0,7 µm) ekkor reflektancia növekedés tapasztalható.
A hiányos vízellátás a fotoszintézist gátolja, valamint a közép infravörös tartományban a vízelnyelési sávok lokális minimumainak nagymértékű változását is eredményezi. A közép infravörös (SWIR) spektrum tartományban a gyökérzóna talajnedvessége és a vegetáció állapota közötti összefüggések vizsgálatára használhatók. A víz és nedvesség indexek számításához a SWIR sávok mellett a látható vörös (Red) és a közeli infravörös (NIR) használható ennek az összefüggésnek a számszerűsítésére. A talaj nedvességtartalma hatással van a vegetációs víz állapotára, és így megváltoztatja a vegetáció spektrális jellemzőit. Az NDWI (normalizált különbség vízindex) az ilyen típusú vizsgálatok egyik népszerű mutatója. Segítségével meghatározhatók azok a területek, ahol a vízellátásban eltérések vannak.
Műholdfelvétel és az abból származtatott indexek. A: Input (Sentinel 2: B3,B4,B8), B: NDVI, C: SWIR (B12), D: Talajnedvesség (becslési modell alapján)
A műhold-alapú monitoring egy olyan eszköz, amely lehetővé teszi a gazdálkodók számára, hogy a nagy felbontású műholdfelvételek elemzésének köszönhetően folyamatosan nyomon kövessék földjeik aktuális állapotát, és szükség esetén ez alapján elvégezhetők legyenek a megfelelő beavatkozások. A legjelentősebb adatok közé tartozik a növények egészsége, amelyet olyan paraméterekkel mérhető, mint a Normalizált Differenciált Vegetációs Index (NDVI. Egy másik hasznos paraméter a Normalized Differenciált Nedvesség Index (NDMI), amely a nedvességtartalmára adhat információt.
Hasznos linkek:
- DAA (Digitális Agrárakadémia) https://www.digitalisagrarakademia.hu/
- Földmegfigyelési Információs Rendszer eFöld űrtávérzékelési portál (műholdas adatok és egyes indexek letöltési lehetőség): https://fir.gov.hu/
Szerző: Verőné Dr. Wojtaszek Malgorzata