Έργο: HYDROSENSE. Τηλεπισκόπηση και δορυφορικά δεδομένα υψηλής ανάλυσης στη γεωργία ακριβείας

Transcript

1 LIFE+ Environment Policy and Governance Programme Έργο: HYDROSENSE Τηλεπισκόπηση και δορυφορικά δεδομένα υψηλής ανάλυσης στη γεωργία ακριβείας (μέρος 2 ο - αξιοποίηση των δορυφορικών δεδομένων του WorldView-2 ) ΜΦΙ, 5 Δεκεμβρίου 2012 Δρ. Νίκος Β. Σπυρόπουλος Εργαστήριο Αγρομετεωρολογίας Σχολή Γεωπονικών Επιστημών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας University of Thessaly nicospir@gmail.com

2 Συστήματα Τηλεπισκόπησης Δύο είναι τα βασικά συστήματα παρακολούθησης της Γης 1. Τα συστήματα τηλεπισκόπησης που καταγράφουν την «φυσική» ακτινοβολία και ονομάζονται παθητικά. Για την ανακλώμενη ενέργεια αυτό συμβαίνει κατά την διάρκεια της ημέρας όταν ο ήλιος φωτίζει τμήματα της Γης, ενώ δεν υπάρχει ανακλώμενη ενέργεια την νύχτα. Η με φυσικό τρόπο εκπεμπόμενη ενέργεια (θερμικό υπέρυθρο) μπορεί να καταγραφεί ημέρα ή νύχτα και εφόσον το ποσό της ενέργειας είναι τέτοιο ώστε να είναι δυνατή η καταγραφή. Τα παθητικά συστήματα χρησιμοποιούν το τμήμα του φάσματος από πολύ μικρά μήκη κύματος (μικρότερα του 0.4 μm) έως την περιοχή του μήκους κύματος 1000 μm.

3 2. Τα ενεργά συστήματα είναι εκείνα που καταγράφουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από άλλη εξωτερική πηγή ή από το ίδιο το όργανο καταγραφής. Συνήθως το σύστημα καταγραφής είναι αυτό που εκπέμπει και την ενέργεια προς την επιφάνεια και στην συνέχεια ανακλάται επιστρέφει και καταγράφεται η «ηχώ» του σήματος από το ίδιο το σύστημα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιου τύπου οργάνου είναι τα Radars που εκπέμπουν στην περιοχή των μικροκυματικών. Η ανάγκη των ενεργών συστημάτων σε ενέργεια είναι μεγάλη για το λόγο αυτό και η λειτουργία τους δεν είναι συνεχής. Οι σαρωτές μπορεί να είναι αερομεταφερόμενοι (συνήθως σε αεροπλάνα) ή σε διαστημικές εξέδρες (δορυφόρους).

4 Πλεονεκτήματα των διαστημικών δεδομένων παρατήρησης της γης Συνοπτική εικόνα μιας εκτεταμένης περιοχής Προετοιμασία για την εργασία υπαίθρου Διαχρονική παρατήρηση Αναγνώριση της μη ορατής πληροφορίας

5 Χαρακτηριστικά των διαστημικών συστημάτων παρατήρησης της Γης Για ορισμένα όργανα καταγραφής η απόσταση μεταξύ της γήινης επιφάνειας και του οργάνου καταγραφής αποτελεί καθοριστικό ρόλο στην λεπτομέρεια της πληροφορίας που καταγράφεται. Η ευδιάκριτη λεπτομέρεια σε μία εικόνα εξαρτάται από την χωρική διακριτική ικανότητα του οργάνου καταγραφής και αναφέρεται στο μέγεθος του μικρότερου χαρακτηριστικού που μπορεί να ανιχνευθεί. Για ορισμένα όργανα καταγραφής η απόσταση μεταξύ του στόχου και της διαστημικής εξέδρες είναι καθοριστική για την λεπτομέρεια στην καταγραφή. Συνήθως οι δορυφόροι που βρίσκονται σε πολύ υψηλή τροχιά ενώ καταγράφουν μεγάλες περιοχές η διακριτική ικανότητα περιορίζεται. Ανεξάρτητα από διακριτική ικανότητα ενός συστήματος μικρά χαρακτηριστικά μπορούν να αναγνωριστούν εάν η φασματική τους απόκριση διαφέρει δραματικά από το περιβάλλοντα χώρο π.χ. Δρόμοι. Εάν ένα σύστημα καταγραφής έχει χωρική διακριτική ικανότητα 1μ τότε στην αντίστοιχη εικόνα κάθε εικονοστοιχείο αντιπροσωπεύει μία περιοχή της επιφάνειας ίση με 1 χ 1 μ.

6 10 cm 50 cm 1m

7 WV-2 Pan-sharpening true color 0.5m χωρική διακριτική ικανότητα Landsat ETM 7 Pan band 15 m IRS Pan band 5.5 m

8 Ραδιομετρική διακριτική ικανότητα 2 bits 8 bits Τα ραδιομετρικά χαρακτηριστικά περιγράφουν την πραγματική πληροφορία που περιέχεται σε μία εικόνα. Κάθε φορά που αποτυπώνεται μία εικόνα, η ευαισθησία της στη ένταση της ανακλώμενης ενέργειας καθορίζει την ραδιομετρική ικανότητα. Ουσιαστικά η ραδιομετρική ικανότητα περιγράφει την ικανότητα ενός συστήματος να καταγράφει διαφορές στην ισχύ του σήματος. Τα δεδομένα μιας εικόνας αντιπροσωπεύονται από ψηφιακές τιμές που μεταβάλλονται από 0 έως μία τιμή, παράγωγη δύναμη του 2. Το εύρος αντιστοιχεί σε ένα αριθμό bits που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση σε δυαδική μορφή. Ο μέγιστος αριθμός επιπέδων φωτεινότητας εξαρτάται από τον αριθμό των bits.

9 2 4 Π.χ. Εάν ένα αισθητήριο όργανο χρησιμοποιεί 8 bits για την καταγραφή τότε θα υπάρχουν 2 8 = 256 πιθανές ψηφιακές τιμές στην εικόνα δηλαδή από το 0 έως το 255. Εάν ένα σύστημα χρησιμοποιεί 4 bits θα υπάρχουν 2 4 = 16 πιθανές τιμές από το 0 έως το 15. Το δεύτερο όργανο καταγραφής διαθέτει χαμηλότερη ραδιομετρική ικανότητα. Η εικόνα ανεξάρτητα από την φασματική ζώνη στην οποία αντιστοιχεί εμφανίζεται με τόνους του γκρι η τιμή 0 αντιστοιχεί στο μαύρο και το λευκό στην υψηλότερη τιμή (π.χ. Στην περίπτωση των 8 bits η τιμή 255) επίπεδα του γκρι

10 11 Bit Data vs 8 Bit Data 11 bit processing 8 bit processing Chita City, Japan AREA 1: Bright Areas AREA 1 AREA 2 11 bit data makes structures distinguishable 8 bit data leaves bright areas overexposed AREA 2: Dark Areas 11 bit data makes shadowed features distinguishable 8 bit data loses features to shadows

11 2 αριθμός bits = αριθμός επιπέδων γκρι Αριθμός των bits Αριθμός επιπέδων του γκρι Εύρος τιμών

12 Φασματική διακριτική ικανότητα Περικλείει το εύρος των περιοχών του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στις οποίες πραγματοποιεί καταγραφές ένα πολυφασματικός αισθητήρας καθώς και τον αριθμό των καναλιών που χρησιμοποιούνται. Πανγχρωματικό Πολυφασματική απεικόνηση 0.4 μm μm Η ιδιότητα αυτή έχει να κάνει με την δυνατότητα ενός συστήματος να καταγράφει σε μικρές ζώνες μηκών κύματος. Όσο πιο μικρές σε εύρος είναι οι ζώνες (δηλαδή καλύπτεται μικρό εύρος μηκών κυμάτων) και και σημαντικός αριθμός των ζωνών. Πολυφασματικά ονομάζονται τα συστήματα που καταγράφουν σε πάνω από δύο φασματικές ζώνες και υπερφασματικά με δεκάδες φασματικές ζώνες

13 Spectral Bands Near IR Band microns (4m) Blue Band microns (4m) Red Band microns (4m) Image chip of simultaneously collected Panchromatic Band microns (1m) Green Band microns (4m)

14 Χρονική διακριτική ικανότητα Η χρονική διακριτική ικανότητα ενός συστήματος σχετίζεται με την συχνότητα λήψης εικόνων για την ίδια περιοχή. Η περίοδος επαληψιμότητας για ένα δορυφορικό σύστημα συνήθως είναι της τάξης 2-3 ημερών για να μπορέσει να αποτυπώσει την ίδια γεωγραφική περιοχή. Ορισμένα δορυφορικά συστήματα έχουν την δυνατότητα να στοχεύουν την ίδια περιοχή ενώ βρίσκονται στην επόμενη ή την μεθεπόμενη τροχιά. Επίσης ορισμένα συστήματα μεταξύ μιας τροχιάς και της επόμένης έχουν επικάλυψη που κυμαίνεται από 10% έως 30%. Επομένως η πραγματική χρονική διακριτική ικανότητα εξαρτάται από τις δυνατότητες του συστήματος, την επικάλυψη και το γεωγραφικό μήκος της περιοχής.

15 Typical products New York City, New York 0.5 Meter Panchromatic Image 2-Meter Multispectral Image 0.5 -Meter Pan-Sharpened Image

16 Πλεονεκτήματα & μειονεκτήματα των σαρωτών Πλεονεκτήματα Συνοπτική καταγραφή της Γης Επαναλαμβανόμενη κάλυψη. Περιορισμοί απόκλισης Διακριτική ικανότητα Πολυφασματικά δεδομένα Ψηφιακή μορφή δεδομένων Στερεοσκοπική κάλυψη Ελάχιστη παραμόρφωση

17 Η χρήση του δορυφόρου WorldView-2

18 H φασματική ανάλυση του δορυφόρου περιλαμβάνει: Κανάλι Coastal Blue Απορροφάται ισχυρά από την χλωροφύλλη στη υγιή βλάστηση και βοηθά στην ανάλυση της βλάστησης Κανάλι Blue Απορροφάται από την χλωροφύλλη και βοηθά στην ανάλυση τ η ς β λ ά σ τ η σ η ς Κανάλι Green Απεικονίζει την μέγιστη ανάκλαση της υγιούς βλάστησης, ιδανικό για υπολογισμός της ευρωστίας των φυτών και πολύ χρήσιμο για το διαχωρισμό της δομή των φυτών όταν συνδυάζεται με το κανάλι Yellow Κανάλι Yellow Ιδανικό για τη ανίχνευση της γήρανσης της βλάστησης Κανάλι Red Απορρόφηση του red light από την χλωροφύλλη στη υγιή βλάστηση, βοηθά στην διάκριση της βλάστησης, Κανάλι Red Edge Βοηθά στην ανάλυση της υγιούς βλάστησης Κανάλι Near-infrared (1) Βοηθά στην ανάλυση της περιεκτικότητας σε νερό των ιστών της βλάστησης και της βιομάζας Κανάλι Near-infrared (2) Συμπεριφέρεται όπως το προηγούμενο κανάλι, όμως επηρεάζεται λιγότερο από τη ατμόσφαιρα.

19 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (precision farming) Εφαρμογές: Εκτίμηση καλλιεργητικών επεμβάσεων Έλεγχος καλλιεργούμενων εκτάσεων Εκτίμηση υδατικών αναγκών Χαρτογράφηση και ταξινόμηση οργανικής ουσίας Ελαιοκομικό κτηματολόγιο Αμπελουργικό κτηματολόγιο Πρόβλεψη γεωργικής παραγωγής

20 Εκτίμηση καλλιεργητικών επεμβάσεων Human vision: a truecolor digital image

21 Εκτίμηση καλλιεργητικών επεμβάσεων The satellite view: WV-2 half-meter imagery, false-color processing.

22 Εκτίμηση καλλιεργητικών επεμβάσεων Anomalies with GPS outlines

23 Εκτίμηση καλλιεργητικών επεμβάσεων Suspect areas for detailed scouting

24 Field_2, 431 (RGB) New image WV-2 ( )

25 Variations in image processing techniques When extracting information from remotely-sensed images, the processing of the data becomes critical. This image shows three different methods, each of which provides a different level of value. Additional methods are continually being developed by the University of Thessaly Research Group

26 Variations in image processing techniques

27 Έλεγχος καλλιεργούμενων εκτάσεων

28 This image shows the resolution of the Landsat satellite, which captures data at 30 meters. The fields can be seen and counted, but cannot be measured accurately. Estimates of crop health can be made by observing the brightness of the red color, which is an indication of the nutritional and moisture status of the plants.

29 The Indian Remote Sensing Satellite, IRS-1C, offers slightly better resolution than does Landsat. With 23-meter data, the fields can be better defined, but accurate field sizes are still not available.

30 Black-and-white, or panchromatic imagery can be obtained at much higher resolutions than can the multispectral color imagery. This image shows the very much better view of the fields at 5 meters than either the Landsat or IRS-1C. However, information about the crop health are lost.

31 By using the 23-meter multispectral color image to color the 5-meter panchromatic image, a great deal of information is now available at much higher resolution. Field boundaries are much more clear, crop health is more discernable, and the status of irrigation can be determined.

32 This image shows the resolution of the WV-2 satellite. This half-meter image clearly shows variations in the soil, differences in soil moisture, stage of growth of the crops, and disease infestations within the fields. Though all satellite imagery is of value, it is possible to extract significantly more information from that of greater resolution.

33 This is an image of a group of high-value vegetable crops. These fields range from 5 to 20 hectares in area. The resolution of this image is resampled to 1-meter, and clearly shows vehicles on the highway to the left side of the image, as well as in the fields themselves. It is printed in true color, which is a way of showing what the fields would look like to the human

34 In this image, each field has been processed individually so that attention can be focused on that one field. This allows detailed analysis of the problem areas in each field, rather than requiring a collective overview of a larger area.

35 Έλεγχος καλλιεργούμενων εκτάσεων

36 Έλεγχος καλλιεργούμενων εκτάσεων

37 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (έλεγχος άρδευσης) Δορυφορική εικόνα με μισό μέτρο ανάλυση στην ορατή και αόρατη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με αποχρώσεις του κόκκινου απεικονίζεται η βλάστηση. Με αποχρώσεις του πράσινου απεικονίζεται το έδαφος. Δενδρώνες υπό άρδευση (σκούρες κόκκινες αποχρώσεις των δένδρων και του υπορόφου εδάφους) Δενδρώνες που δεν έχουν υποστεί εφαρμογή άρδευσης (ανοικτές κόκκινες αποχρώσεις των δένδρων και πράσινες του υπορόφου εδάφους)

38 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (εκτίμηση αρδευτικών αναγκών) Εκτίμηση των αρδευτικών αναγκών αξιοποιώντας ταυτόχρονα τις παρακάτω περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: nm (ανάκλαση υγιούς βλάστησης, ευρωστία καλλιεργειών) nm (απορρόφηση φωτός από τη χλωροφύλλη στα υγιή μέρη του φυτού) nm (ανίχνευση της ωρίμανσης της βλάστησης) nm (ανίχνευση ευρωστίας καλλιεργειών και ανίχνευση καρπών) nm (ανίχνευση υδατικού περιεχομένου στους φυτικούς ιστούς, εκτίμηση βιομάζας) nm (ανίχνευση υδατικού περιεχομένου στους φυτικούς ιστούς χωρίς την επίδραση της ατμόσφαιρας)

39 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (εκτίμηση αρδευτικών αναγκών) Επάνω: Πιλοτικός δενδρώνας X1 τον Ιούλιο 2010 χρησιμοποιώντας τα μήκη κύματος nm, nm και nm Κάτω: Πιλοτικός δενδρώνας X1 τον Μάρτιο του 2010 χρησιμοποιώντας τα μήκη κύματος nm, nm και nm Οι διαφορές στην ευρωστία και βιομάζα είναι ορατές στο διάστημα των 4 μηνών

40 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (εκτίμηση αρδευτικών αναγκών) Ελαιώνες στο Νομό Αργολίδας. Ο υπόροφος/έδαφος των αρδευόμενων έχει σκουρόχρωμη απόχρωση. Ο υπόροφος/έδαφος των μη αρδευόμενων έχει ανοιχτόχρωμη απόχρωση. 1 η ημερομηνία-έλεγχος (1 Ιουνίου 2009)

41 Εφαρμογές στην Επιχειρησιακή Γεωργία (εκτίμηση αρδευτικών αναγκών) Ελαιώνες στο Νομό Αργολίδας. Ο υπόροφος/έδαφος των αρδευόμενων έχει σκουρόχρωμη απόχρωση. Ο υπόροφος/έδαφος των μη αρδευόμενων έχει ανοιχτόχρωμη απόχρωση. 2 η ημερομηνία έλεγχος (1η Σεπτεμβρίου 2009)

42 Tasseled Cap Transformation Tasseled Cap Transformation is an orthogonal rotation of the image similar to a principal components transformation but with different axes rotation coefficients. The output from this transformation is a new set of image channels called Δbrightness, Δgreeness, Δyellowness and Δwetness. The tasseled cap was originally developed for Landsat MSS satellite images Near infrared band Red band Red band Green band

43 Tasseled Cap Transformation Data: WV2-July, Field: Mitsoyannis ΔBrightness ΔGreeness

44 Tasseled Cap Transformation Data: WV2-July, Field: Samaras ΔBrightness ΔGreeness

45 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΙΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΕΔΙΟΥ ΚΑΙ ΕΠΙΓΕΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Ασύγκριτα χαμηλότερο κόστος, (0,13 ευρώ το στρέμμα) Δεν γίνεται καμία επέμβαση στο υπό μελέτη αγροτεμάχιο ή περιοχή εφαρμογής Δεν εγκαθίστανται ασύρματοι μετρητές στα δένδρα ή σε ειδικές υπερκατασκευές ούτε άλλη ασύρματη συσκευή Δεν κινδυνεύουν από φθορές ή άλλες άσκοπες ενέργειες πιθανός εξοπλισμός επίγειων μετρήσεων στο αγροτεμάχιο. Δεν απαιτείται καμία ενέργεια συντήρησης η αποκατάστασης βλάβης συσκευής Τα δεδομένα έχουν πολλαπλασιαστικό χαρακτήρα όσον αφορά τη χρήση τους και για άλλες εφαρμογές όπως για παράδειγμα ελαιοκομικό κτηματολόγιο, περιβαλλοντική παρακολούθηση, προγραμματισμού σχετικών έργων κλπ. ΕΠΙΓΕΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ~3,5 ευρώ το στρέμμα (βιβλιογραφία) Γίνεται επέμβαση Εγκαθίστανται μετρητές και ειδικότερα σε ψηλά δένδρα οι αναμεταδότες πρέπει να τοποθετηθούν υψηλότερα της κόμης Ο εξοπλισμός πεδίου γίνεται πολλές φορές στόχος ασυνείδητων κυνηγών και κλεφτών Απαιτείται συνεχής παρακολούθησης σε 24ωρη βάση Δεν έχουν πολλαπλασιαστικό χαρακτήρα

46 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ανάπτυξη συστήματος παρακολούθησης και ελέγχου άρδευσης-λίπανσης σε αμπελώνες, ελαιώνες και φυτά μεγάλης καλλιέργειας χρησιμοποιώντας κατά τη διάρκεια του φαινολογικού κύκλου των φυτών δεκαήμερα διαχρονικά δορυφορικά τηλεπισκοπικά δεδομένα υψηλής φασματικής και χωρικής ανάλυσης με απώτερο στόχο την κατάστρωση διαχειριστικών σχεδίων δράσης και προγραμματισμού έργων σε γεωργικές ενότητες της XXXXX όπου η αρδευόμενη γεωργία είναι ο κύριος καταναλωτής και ταυτόχρονα ο κύριος ρυπαντής. Precision Farming: Κλίμακες εργασίας και αποτελεσμάτων : 1/ /2.000 επιχειρησιακό επίπεδο αγροκτήματος

47 Το κόστος αναφέρεται σε μία περιοχή συνολικής έκτασης 50 τετραγωνικών χιλιομέτρων, ή στρεμμάτων. Ο αριθμός των εικόνων είναι 20 (3 εικόνες τον μήνα, ± 2 για μία εξάμηνη περίοδο) Σύνολο στρεμμάτων υπό μελέτη - επεξεργασία Κόστος δεδομένων... 0,04 το στρέμμα Κόστος Επεξεργασίας... 0,09 το στρέμμα Συνολικό κόστος...0,13 το στρέμμα συν ΦΠΑ ή συν ΦΠΑ

48 Ευχαριστώ