Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1 ΕΡΓΟ ΑΡΙΣΤΕΙΑ 2632 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 1.2 Αξιολόγηση αισθητήρων μέτρησης φασματικής ανάκλασης εκπομπής των φυτών 1. Εισαγωγή Η άρδευση αποτελεί μία από τις σημαντικότερες καλλιεργητικές φροντίδες στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες και η αποδοτική διαχείρισή της συντελεί στην ποσοτική και ποιοτική βελτιστοποίηση της παραγωγής, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει στη μείωση των εισροών στην καλλιέργεια και των ανεπιθύμητων εκροών από αυτή. Η διαχείριση της άρδευσης σχετίζεται με τον καθορισμό της συχνότητας και της δόσης νερού, ανάλογα με την εκτίμηση των αναγκών των καλλιεργειών και τη δυνατότητα συγκράτησης της υγρασίας από το υπόστρωμα και υλοποιείται με μία σειρά από διαφορετικές προσεγγίσεις. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ως προς την πρακτική τους εφαρμογή, έχουν αυτές που βασίζονται σε αισθητήρες υγρασίας, έντασης ακτινοβολίας και υγρασίας υποστρώματος, καθώς και σε μοντέλα ανάπτυξης, κλίματος και εξατμισοδιαπνοής, τα οποία όμως δε λαμβάνουν υπόψη την κατάσταση της καλλιέργειας και παρουσιάζουν διάφορα άλλα μειονεκτήματα. Τα βασικότερα από αυτά είναι η μεγάλη χρονική υστέρηση εντοπισμού της καταπόνησης, η έμμεση φύση της μέτρησης, η αβεβαιότητα σχετικά με το κατά πόσο είναι αντιπροσωπευτικό το αποτέλεσμα εξαιτίας των σημειακών μετρήσεων, η ανάγκη για επαφή των αισθητήρων με κάποιο τμήμα του φυτού, η ανάγκη για καταστροφή τμήματος ή συνόλου του φυτού, και η πολυπλοκότητα της εφαρμογής για την αυτοματοποίηση λήψης δεδομένων. Στο πλαίσιο αυτό, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στη διερεύνηση των δυνατοτήτων διαχείρισης της άρδευσης με χρήση άμεσων μετρήσεων φυτικών παραμέτρων. Μία σειρά υφιστάμενων και νέων δεικτών υδατικής κατάστασης του φυτού, που βασίζονται σε δεδομένα ανάκλασης της καλλιέργειας, μπορούν να έχουν πρακτική εφαρμογή στη διαχείριση της άρδευσης θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Στη συγκεκριμένη μεθοδολογία, μετράται το μήκος κύματος που ανακλάται από το φύλλο στην περιοχή των 400nm - 2500nm, ανάλογα με τη συγκέντρωση του νερού στο σπογγώδες παρέγχυμα και βάσει αυτής της ανάκλασης εκτιμάται το στάδιο της υδατικής του κατάστασης.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 2 Υπάρχουν διαφορετικές κατηγορίες οργάνων σημειακής μέτρησης ανάκλασης του φύλλου που βασίζονται στην επαφή, και τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί στο πλαίσιο της έρευνας αυτής. Ωστόσο, με την εξέλιξη της τεχνολογίας των τελευταίων ετών, αναπτύσσονται αισθητήρες ανάκλασης που δεν έρχονται σε επαφή με το φυτό και δεν καταστρέφουν την καλλιέργεια, είναι οικονομικοί και εύκολοι στη χρήση, εκφράζουν την υδατική κατάσταση του συνόλου της καλλιέργειας και φυσικά, οι μετρήσεις τους μετουσιώνονται σε δείκτες που εκφράζουν άμεσα την υδατική κατάσταση του φυτού. Ένας από τους βασικούς στόχους του έργου είναι η ανάπτυξη των μεθόδων αυτών, ερευνώντας τη συμπεριφορά της ανάκλασης του φυτού σε διαφορετικά μήκη κύματος και αξιολογώντας διαφορετικού τύπου αισθητήρες, που είτε έρχονται σε επαφή, είτε λαμβάνουν τη μέτρηση από απόσταση και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου. Στο πλαίσιο της Εργασίας 1.2 της Ε.Ε. 1, υλοποιήθηκε μία σειρά μετρήσεων και πειραμάτων από διαφορετικούς αισθητήρες, με σκοπό την αξιολόγησή τους. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και περιελάμβαναν τη μέτρηση της ανάκλασης σε επίπεδο φύλλου ή φυτού, με δύο διαφορετικούς αισθητήρες: φορητό σπεκτροραδιόμετρο και τριφασματική κάμερα. Ακολουθεί η θεωρητική ανάλυση της εξέλιξης της ανακλώμενης ακτινοβολίας σε διαφορετικά μήκη κύματος ανάλογα με την υδατική κατάσταση του φυτού, καθώς και η θεωρητική ανάλυση της μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται σε διαφορετικούς τύπους αισθητήρων φασματικής ανάκλασης και προσδιορίζονται τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματά τους. Περιγράφονται οι εγκαταστάσεις, οι καλλιεργητικές συνθήκες, οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και τα πειραματικά πρωτόκολλα που ακολουθήθηκαν. Τέλος, αξιολογούνται τα αποτελέσματα και βάσει αυτών, προτυποποιούνται οι κατάλληλοι αισθητήρες και καθορίζονται οι μεθοδολογίες βαθμονόμησης και χρήσης τους στο χώρο του θερμοκηπίου. 2. Θεωρητική Ανάλυση 2.1. Σχέση ανακλώμενης ακτινοβολίας με την υδατική κατάσταση του φυτού Η βασική αρχή στην οποία στηρίζονται οι αισθητήρες ανάκλασης σχετίζεται με τη δραστηριότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εμφανίζεται με διάφορες
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 3 μορφές στο χώρο του θερμοκηπίου ανάλογα με τη θέση του φυτού, όπως: ακτινοβολία που διέρχεται μέσω του φύλλου (διερχόμενη ακτινοβολία) ακτινοβολία που απορροφάται από το φύλλο και αποδίδει ενέργεια κυρίως για τη θέρμανσή του (απορροφούμενη ακτινοβολία) ακτινοβολία που εκπέμπεται από το φύλλο ως αποτέλεσμα της δομής του (εκπεμπόμενη ακτινοβολία) ακτινοβολία που διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις και χάνεται είτε λόγω απορρόφησης είτε λόγω περαιτέρω διάχυσης (διαχεόμενη ακτινοβολία) ακτινοβολία που ανακλάται από την επιφάνεια του φύλλου με γωνία ανάκλασης ίση και αντίθετη με τη γωνία πρόσπτωσης (ανακλώμενη ακτινοβολία). Η γνώση του τρόπου επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην ανάκλαση της ακτινοβολίας από την καλλιέργεια είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη κατάλληλων δεικτών εντοπισμού υδατικής καταπόνησης, καθώς η ανακλώμενη ακτινοβολία επηρεάζεται από το σύνολο των φυσικών, βιολογικών, υδρολογικών και λοιπών ιδιοτήτων του φύλλου. Οι Carlson et al. (1971) και Gausman et al. (1971) ήταν οι πρώτοι που ανέλυσαν τη συμπεριφορά της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε διαφορετικά είδη φύλλων και επεσήμαναν τη δυνατότητα εκτίμησης της υδατικής κατάστασης, σε διαφορετικά μήκη κύματος. Η ανάλυση της σχέσης μεταξύ του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και του περιεχομένου του φύλλου σε νερό, δίνεται στη συνέχεια. Στην περιοχή του ορατού (400-700nm) παρατηρείται ισχυρή απορρόφηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, λόγω της ύπαρξης χρωστικών στην επιδερμίδα του φύλλου (χλωροφύλλη, καροτενοειδή, ξανθοφύλλες, ανθοκυανίνες), ενώ στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου (700-1300nm), η ακτινοβολία προσπίπτει στο φύλλο, διαπερνά το πρώτο επίπεδο των χρωστικών και φτάνει στους μεσοκυττάριους και αεροφόρους χώρους (Τσιρογιάννης, 2011). Εκεί, ανάλογα με τη συγκέντρωση του υδατικού διαλύματος, η ακτινοβολία υπόκειται σε επιπλέον διάχυση και πολλαπλές ανακλάσεις, με αποτέλεσμα το μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας να επιστρέφει πίσω στο χώρο του θερμοκηπίου. Σε μήκη κύματος >1300nm, η ένταση της ανακλώμενης ακτινοβολίας μειώνεται λόγω ισχυρής
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 4 απορρόφησης της ενέργειάς της από το νερό που βρίσκεται μέσα στο φύλλο. Οι Penuelas et al. (1997) αναφέρουν ότι η άμεση ανταπόκριση της ποσότητας του νερού που περιέχεται στους φυτικούς ιστούς, φαίνεται στις περιοχές 1400-1900nm, ωστόσο οι Clevers et al. (2008) υποστηρίζουν πως η τιμή της ανάκλασης που μετρά ο αισθητήρας επηρεάζεται σημαντικά από την υγρασία του χώρου και τη δομή του φύλλου του φυτού (παρουσία πρωτεϊνών, σακχάρων κλπ.), καθιστώντας τη μέτρηση αβέβαιη και τη μέθοδο αναξιόπιστη. Ως εκ τούτου, οι περιοχές αυτές του φάσματος δε μπορούν εύκολα να ενταχθούν σε αισθητήρες τηλεπισκόπισης. Σύμφωνα με τους Ray et al. (2006), οι δείκτες που προκύπτουν από τη μέτρηση της ανάκλασης του φύλλου στο κοντινό υπέρυθρο (700-1300nm), δείχνουν πιο αντιπροσωπευτική εκτίμηση της υδατικής κατάστασης του φυτού σε σχέση με τους δείκτες ανάκλασης στο μακρινό υπέρυθρο (1300-2500nm), με την τιμή της μέτρησης να αυξάνεται κατά την εξέλιξη του υδατικού ελλείμματος, ως συνέπεια της απώλειας της κυτταρικής πίεσης σπαργής. Αρκετές μελέτες έχουν διεξαχθεί για την ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης διαφορετικών ειδών στο συγκεκριμένο φάσμα, μεταξύ άλλων, των Penuelas et al. (1993) σε ζέρμπερα, των Jones et al. (1993) σε καλαμπόκι, σπανάκι και ξηρά φασόλια, των Kim et al. (2010) σε μηλιές, των Zhou et al. (2010) σε τομάτες και των Amatya et al. (2012) σε πατάτες. Στις περισσότερες από τις παραπάνω μελέτες, χρησιμοποιήθηκαν φασματόμετρα σε εργαστηριακό περιβάλλον ή σπεκτροραδιόμετρα σε επίπεδο φύλλου (σημειακή μέτρηση). Υπάρχουν όμως, τόσο ποσοτικές όσο και ποιοτικές διαφορές εξαιτίας της έντονης παραλλακτικότητας της δομής του φύλλου αλλά και της γενικότερης άμβλυνσης της ακτινοβολίας λόγω της διακύμανσης της γωνίας φωτισμού μέσα στο θερμοκήπιο, του προσανατολισμού και της κλίσης του φύλλου, της παρουσίας σκιάσεων και της ανάκλασης από μη φυλλικές επιφάνειες, που καθιστούν τη μέθοδο ανακριβή σε επίπεδο φυτού και καλλιέργειας. Για τη γενικότερη διαχείριση των μηχανισμών αυτών με σκοπό τον έλεγχο της άρδευσης, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες που μετρούν την ανάκλαση από ολόκληρη την επιφάνεια του φύλλου ή από περισσότερα του ενός φύλλα και λαμβάνουν υπόψη το συνδυασμό των συνθηκών του περιβάλλοντος και τη φυσιολογική κατάσταση των φυτών. 2.2. Καταγραφή και σύγκριση των τύπων αισθητήρων φασματικής ανάκλασης Η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα είναι σημαντική για την καλύτερη προσέγγιση ενός
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 5 αποτελεσματικού προγράμματος ελέγχου της άρδευσης σε μια θερμοκηπιακή καλλιέργεια. Οι αισθητήρες φασματικής ανάκλασης συλλέγουν και καταγράφουν την ενέργεια που ανακλάται από ένα στόχο ή μία επιφάνεια και ταξινομούνται σε: 1. αισθητήρες εικόνας ή μέτρησης 2. αισθητήρες με βάση την ιδιότητά τους να μετράνε σε ορισμένες διακριτές και στενές περιοχές μηκών κύματος (πολυφασματικός αισθητήρας) ή σε περισσότερες στενές περιοχές του φάσματος (υπερφασματικός αισθητήρας). Αισθητήρες μέτρησης Οι αισθητήρες μέτρησης καταγράφουν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που ανακλάται από το φύλλο σε ορισμένες ζώνες (ραδιόμετρα) ή σε περισσότερα μήκη κύματος (σπεκτροραδιόμετρα) του φάσματος, ανάλογα με τις απαιτήσεις της μεθόδου. Έχουν τη δυνατότητα να μετρούν την ανάκλαση του φύλλου, είτε σε επαφή είτε σε απόσταση και δεν επηρεάζονται από τις συνθήκες του περιβάλλοντος και την ανάκλαση των υπόλοιπων υλικών, λόγω του ενσωματωμένου οπτικού πεδίου που διαθέτουν. Ο Milton (1987) περιγράφει τις βασικές αρχές λειτουργίας ενός φορητού σπεκτροραδιομέτρου σε φυσικό περιβάλλον. Ωστόσο, επηρεάζονται έντονα από την παραλλακτικότητα της δομής του φύλλου, λόγω του μικρού οπτικού πεδίου που καταλήγει σε αυτό και καθιστά τις τιμές ανάκλασης ανακριβείς για την εκτίμηση της υδατικής κατάστασης του φυτού και της καλλιέργειας. Οι αισθητήρες μέτρησης δεν είναι απαλλαγμένοι από το θόρυβο λήψης που δημιουργείται κατά τη διαδικασία λήψης της ακτινοβολίας από τον ανιχνευτή, ο οποίος εκφράζεται ως αναλογία σήματος προς θόρυβο (signal-to-noise ratio SNR). Η αναλογία σήματος προς θόρυβο είναι μεγάλη στους αισθητήρες μέτρησης από απόσταση, καθώς και στους αισθητήρες περιορισμένων ραδιομέτρων και αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τη γκαουσιανή θεωρία, σύμφωνα με την οποία, όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή κάτω από την ευρεία ζώνη, τόσο χαμηλότερη είναι η φασματική ανάλυση του φίλτρου και τόσο υψηλότερη είναι η αναλογία σήματος προς θόρυβο. Στην Εικόνα 1 φαίνονται τα φίλτρα γκαουσιανής μορφής που έχουν ως κέντρο τα 600nm για έναν πολυφασματικό (αριστερά) και έναν υπερφασματικό αισθητήρα (δεξιά).
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 6 Εικόνα 1. Δύο φίλτρα γκαουσιανής μορφής με κέντρο τα 600nm, ένα φίλτρο ευρείας ζώνης (αριστερά) και ένα φίλτρο στενής ζώνης (δεξιά). Αισθητήρες απεικόνισης Οι αισθητήρες απεικόνισης είναι τηλεσκοπικά αισθητήρια όργανα, αποτελούμενα από οπτικά φίλτρα, τα οποία επιτρέπουν τη διέλευση μέρους του φάσματος της ακτινοβολούμενης ροής, συνδυάζοντας τη χωρική απεικόνιση με τις αναλυτικές ικανότητες ενός φασματόμετρου. Τέτοια φίλτρα ονομάζονται ζωνοπερατά και ανάλογα με το εύρος διέλευσης χωρίζονται σε στενά (πολυφασματικοί αισθητήρες) και ευρεία (υπερφασματικοί αισθητήρες). Οι αισθητήρες πολυφασματικής απεικόνισης στηρίζονται στην αρχή λειτουργίας μιας απλής ψηφιακής ασπρόμαυρης κάμερας, μέσω n οπτικών φίλτρων (ή αλλιώς ραδιόμετρα), παράγοντας εικόνες σε συγκεκριμένες φασματικές ζώνες ή μήκη κύματος. Ένας πολύ διαδεδομένος πολυφασματικός αισθητήρας απεικόνισης είναι ο RGB, ο οποίος δίνει εικόνα που αποτελείται από τρία επίπεδα: το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε. Συνήθως, οι πολυφασματικοί αισθητήρες έχουν 3 έως 7 ραδιόμετρα (ζωνοπερατά φίλτρα), λαμβάνουν εικόνες σε διάφορες ζώνες συχνοτήτων από την περιοχή του ορατού έως του κοντινού υπέρυθρου και έχουν τη δυνατότητα διαχωρισμού των υλικών (χρωμάτων) που απαρτίζουν την εικόνα. Δεν επηρεάζονται τόσο από τη δομή του φύλλου και την ηλικία τού φυτού, όσο από τις διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια της μέρας, μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου. Η υπερφασματική απεικόνιση είναι μία σχετικά νέα τεχνολογία, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 7 για την ανάδειξη ιδιαίτερων φασματικών χαρακτηριστικών και δεικτών, που οφείλονται στις διαφορετικές δραστηριότητες του φυτού. Τα φασματόμετρα απεικόνισης αυτού του τύπου, παράγουν ένα πλήρες, συνεχές φάσμα διαπερατότητας του φίλτρου στενής ζώνης, παρέχοντας περισσότερες πληροφορίες, με όσο το δυνατό μικρότερη αναλογία σήματος προς θόρυβο. Τόσο οι υπερφασματικές όσο και οι πολυφασματικές κάμερες, ακολουθούν μία διαδικασία σχηματισμού εικόνας η οποία περιέχει θόρυβο. Η κατανόηση των διαφορετικών πηγών θορύβου σε ένα σύστημα απεικόνισης, μπορεί να αποβεί πολύ χρήσιμη για την αποσφαλμάτωση της μεθόδου. Οι πηγές θορύβου του αισθητήρα απεικόνισης διαχωρίζονται σε χρονικές και χωρικές. Ο χρονικός θόρυβος μπορεί να ελαττωθεί με τη χρήση ενός μέσου όρου εικόνων, ενώ ο χωρικός θόρυβος μπορεί να ελαττωθεί ή να υπολογιστεί με μία σειρά από αξιολογήσεις και βελτιώσεις των ρυθμίσεων της κάμερας σε σταθερές και μη, συνθήκες φωτισμού. Ο χωρικός θόρυβος αποτελείται από το θόρυβο λήψης, που προκύπτει από την τυχαία άφιξη των φωτονίων στον ανιχνευτή, το θόρυβο σκοτεινού ρεύματος που είναι αποτέλεσμα των ατελειών του όγκου του πυριτίου του ανιχνευτή και το θόρυβο μη ομοιόμορφης απόκρισης φωτογραφίας, λόγω διαφορετικής ευαισθησίας των εικονοστοιχείων στο φως (Burns, 1997). Για την απομάκρυνση των διαφόρων τύπων θορύβων, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι και φίλτρα (ραδιομετρική βαθμονόμηση). Με τη ραδιομετρική βαθμονόμηση υπολογίζεται εκ νέου η ποιότητα της εικόνας, βελτιώνοντας τις ενδείξεις αντιστάθμισης του φωτός (gain/offset). Επιπλέον, σε αυτού του τύπου τα οπτικά αισθητήρια όργανα, είναι πολύ σημαντική η σταθερότητα και η ομοιομορφία της ακτινοβολίας του πεδίου που πραγματοποιείται η δειγματοληψία, γιατί μπορεί να επηρεάσει την ένταση της ανάκλασης του αντικειμένου. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τη δημιουργία ανομοιόμορφου φωτισμού μέσα σε ένα χώρο. Στην περίπτωση του θερμοκηπίου, η ανομοιομορφία του φωτισμού οφείλεται στις σκιάσεις που προκύπτουν από το σκελετό και τα φυτά, ανάλογα με τις αποστάσεις φύτευσης και το σχήμα του φυτού, αλλά και στην αντανάκλαση των γειτονικών περιοχών, όπως είναι το φόντο και το δάπεδο. Αντίστοιχα φίλτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απομακρύνουν το θόρυβο της μη ομοιόμορφης ακτινοβολίας, προκαλώντας γεωμετρική διόρθωση. Με βάση τα παραπάνω διαπιστώνεται ότι, οι αισθητήρες απεικόνισης επηρεάζονται από την πηγή φωτός, τα οπτικά φίλτρα και τους αισθητήρες καταγραφής της πληροφορίας και δίνουν μεγάλα
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 8 σύνολα δεδομένων, τα οποία απαιτούν νέες μεθόδους επεξεργασίας και συλλέγονται και αναπαριστώνται με τη μορφή ενός κύβου, με χωρική πληροφορία στις διαστάσεις x και y και φασματική πληροφορία στη διάσταση z. Στην Εικόνα 2 απεικονίζεται η χωρική ανάλυση ενός πολυφασματικού και ενός υπερφασματικού αισθητήρα. Για τον περιορισμό των σφαλμάτων της μέτρησης που προκύπτουν από την επίδραση των παραπάνω παραγόντων, έχουν αναπτυχθεί διάφορα στατιστικά προγράμματα και μέθοδοι. Εικόνα 2. Συγκριτική αναπαράσταση πολυφασματικού και υπερφασματικού κύβου. 2.3. Μέθοδοι βαθμονόμησης αισθητήρων φασματικής ανάκλασης Αισθητήρες μέτρησης Σύμφωνα με τον Hatchel (1999) και τον Anderson (2002), η τιμή της ανάκλασης του δείγματος πρέπει να επανεξετάζεται ανάλογα με την επίδραση του σκοτεινού ρεύματος (για την απομάκρυνση του ψηφιακού θορύβου της συσκευής), την εκτίμηση του λευκού γνωστής ανάκλασης (spectralon) (για τον υπολογισμό του αδέσποτου φωτός της μέτρησης) και τις εκάστοτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Συνήθως, οι αισθητήρες μέτρησης και ιδιαίτερα οι εξ επαφής, προαφαιρούν το σφάλμα μέσω αυτόματης διαδικασίας, χωρίς να είναι απαραίτητη η περαιτέρω επεξεργασία των δεδομένων. Επιπλέον, για τη μείωση της παραλλακτικότητας των αποτελεσμάτων, απαραίτητη κρίνεται και η δειγματοληψία πλήθους φύλλων, όπως παρατηρείται στις μελέτες των Penuelas et al. (1997), οι οποίοι μέτρησαν την ανάκλαση φύλλων διαμέτρου μεγαλύτερης των 6mm, καθώς και των Jones et al. (2004), οι οποίοι μέτρησαν την ανάκλαση 10 νέων φύλλων, από διαφορετικά σημεία της κόμης
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 9 κάθε φορά, τριών διαφορετικών ειδών. Αισθητήρες απεικόνισης Στους αισθητήρες απεικόνισης η διαδικασία είναι περισσότερο πολύπλοκη, καθώς πραγματοποιείται βελτίωση της έντασης των χρωμάτων της πραγματικής εικόνας (ραδιομετρική βελτίωση), ανάλογα με τις προδιαγραφές της κάμερας και την ποιότητα του φωτισμού στο συγκεκριμένο σημείο. Τα συστήματα απεικόνισης υπόκεινται σε μια σειρά από αξιολογήσεις, προκειμένου να εκτιμηθεί η απόδοση της ποιότητας της εικόνας που μπορούν να αποδώσουν μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου. Αρχικά, για τη μείωση του ψηφιακού θορύβου, πραγματοποιείται προσδιορισμός των απόλυτων τιμών της χρονικής και χωρικής διόρθωσης των εικονοστοιχείων, σε εργαστηριακό χώρο ελεγχόμενων συνθηκών, σύμφωνα πάντα με τα χαρακτηριστικά της κάμερας. Ο ψηφιακός θόρυβος είναι ιδιαίτερα υψηλός στις σκοτεινές περιοχές της εικόνας και γι αυτό υπολογίζεται πραγματοποιώντας λήψη με το φακό καλυμμένο με μαύρο ύφασμα, ώστε να εμποδίζεται η εισχώρηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Σύμφωνα με τον Arngner (2011), ο μέσος όρος του θορύβου των εικονοστοιχείων εκτιμάται από την παρακάτω εξίσωση: σ θορ =log 2 ijk (x ijk μ ij ) 2 (1) όπου x ijk είναι η τιμή του κάθε εικονοστοιχείου της μαύρης εικόνας, στις διαστάσεις i, j και k (χωρικές και φασματική) και μ ij ο μέσος όρος των τιμών όλων των εικονοστοιχείων των διαστάσεων i και j (χωρικών). Έτσι, αν ο συντελεστής θορύβου πάρει την τιμή 3.51 bits (φασματική διαπερατότητα) που παράγει ο αισθητήρας κατά τη διαδικασία της μαύρης λήψης, μετατρέπεται σε 64.9 db μέσω της εξίσωσης 2: SNR=1.763+6.02 (14 log 2 (σ θορ )) (2) όπου, SNR η τιμή του θορύβου σε db (decibel). Στην Εικόνα 3 απεικονίζεται η όψη του γκρι γνωστής ανάκλασης με διαφορετικές τιμές και μορφές θορύβου.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 10 Εικόνα 3. Απεικόνιση ψηφιακού θορύβου σε μια εικόνα της κλίμακας του γκρι γνώστης ανάκλασης Στην πράξη, όσα λιγότερα bit δίνει ο αισθητήρας, τόσο περισσότερος θόρυβος εισάγεται από αυτόν, με τα τελευταία bit να επηρεάζονται ιδιαίτερα. Συνήθως, τα σύγχρονα συστήματα απεικόνισης δουλεύουν στα 8, 10, 12, 14 και 16 bits. Ο χαρακτηρισμός του θορύβου απαιτεί κάποιους πειραματισμούς για την απόκτηση των τιμών των παραμέτρων που εμπλέκονται σε αυτό το μοντέλο θορύβου. Κάτι τέτοιο όμως απαιτεί πρόσβαση σε ειδικό εξοπλισμό, είναι χρονοβόρο και συνήθως πραγματοποιείται σε εργαστήρια ή σε ελεγχόμενο περιβάλλον. Επίσης, για τη βέλτιστη απόδοση της λήψης, απαραίτητη κρίνεται η ρύθμιση των παραμέτρων της κάμερας, οι οποίες εξαρτώνται από το φακό, την απόσταση και τη γωνία παρατήρησης του στόχου (γεωμετρική βαθμονόμηση), από την ανάκλαση του δείγματος και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο Thome (2010) κάνει χρήση προτύπων γνωστής ανάκλασης (spectralon diffuser) για τη ραδιομετρική βαθμονόμηση υπερφασματικής κάμερας σε συνθήκες σταθερού φωτισμού, ενώ οι Brunn et al. (2010) επισημαίνουν τη σημαντικότητα της γνώσης της συμπεριφοράς του αισθητήρα και της τάσης της ραδιομετρικής ανταπόκρισης των διαφόρων φασματικών ζωνών που βασίζονται σε εργαστηριακή βαθμονόμηση, χρησιμοποιώντας βαθμονομημένες πηγές φωτός. Σε κάθε περίπτωση, γίνεται αυτόματη προσαρμογή των gain/offset (ενδείξεις αντιστάθμισης φωτός) για την προσαρμογή της ακτινοβολίας που στέλνει η κάμερα, σε κάθε διαφορετικό CCD ή CMOS αισθητήρα, ανάλογα με τα ραδιόμετρα της κάμερας. Οι Brunn et al. (2010) βελτιώνουν τις τιμές των gain/offset μέσω της εξίσωσης: DNcorr = (DNraw gain) + offset (3) όπου, DNraw (raw detector number) η τιμή της έντασης του χρώματος γνωστής ανάκλασης που δίνει ο αισθητήρας και DNcorr (correct detector number) η πρότυπη τιμή γνωστής ανάκλασης.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 11 Η εξίσωση αυτή χρησιμοποιείται εφόσον έχουν γίνει οι κατάλληλες ρυθμίσεις της κάμερας και επιτυγχάνει τη βελτίωση της ανομοιογένειας του στόχου που προκύπτει από τη μη ομοιόμορφη απόκριση του αισθητήρα. Ο χρονικός θόρυβος απομακρύνεται με τη λήψη περισσότερων του ενός φωτογραφιών. Στη συνέχεια, η κάμερα ρυθμίζεται σύμφωνα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες του θερμοκηπίου. Δυστυχώς, η χρήση τεχνητού φωτισμού στο εργαστήριο για τη βαθμονόμηση της κάμερας, δε μπορεί να προσομοιώσει το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που αποτελεί τη βασική πηγή φωτός. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση προκαταρκτικού ελέγχου της κάμερας με τον ήλιο ως πηγή φωτός μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου, για να μειωθεί το σφάλμα που προκύπτει από το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Η διόρθωση της ομοιομορφίας λήψης της εικόνας γίνεται με τη ρύθμιση των gain/offset (εξίσωση 1) και σε αυτήν την περίπτωση. Επιπλέον, ο Arngner (2011), προκειμένου να περιορίσει την αρνητική επίδραση των εξωτερικών παραγόντων στο σύστημα της κάμερας, κατέγραψε την ανάκλαση του λευκού πριν από την έναρξη της λήψης των δειγμάτων και βελτίωσε την ποιότητα της εικόνας τού δείγματος, χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση: X (comp) ijk =(X (meas) ijk X (dark) jk ) / (X (ref) jk X (dark) Jk ) (4) όπου, X (comp) ijk η τιμή της έντασης της ανάκλασης των εικονοστοιχείων της εικόνας του δείγματος μετά τη ραδιομετρική βαθμονόμηση στις διαστάσεις i, j και k (συντελεστής ανάκλασης), X (meas) ijk η τιμή της έντασης της ανάκλασης των εικονοστοιχείων της εικόνας του δείγματος πριν τη ραδιομετρική βαθμονόμηση στις διαστάσεις i, j και k, X (dark) jk η τιμή της έντασης της ανάκλασης των εικονοστοιχείων της μαύρης εικόνας στις διαστάσεις j και k, X (ref) jk η τιμή της έντασης της ανάκλασης των εικονοστοιχείων της λευκής εικόνας στις διαστάσεις j και k. Αντίστοιχη μέθοδο ακολουθούν οι Amatya et al. (2012) για να περιορίσουν την επίδραση του φωτός στην ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης της πατάτας μέσα στο θερμοκήπιο, μέσω χρήσης υπερφασματικής κάμερας. Οι ερευνητές μέτρησαν την ανάκλαση του λευκού μέσα στο χώρο τού θερμοκηπίου, τοποθετώντας μία άσπρη αφρώδη επιφάνεια μπροστά στο φακό και την ανάκλαση του μαύρου στο εργαστήριο σε απόλυτο σκοτάδι, καλύπτοντας το φακό με μαύρο ύφασμα.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 12 Οι Kim et al. (2010) χρησιμοποιούν υπερφασματική κάμερα για την ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης δενδρυλλίων μηλιάς μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου, διορθώνοντας αρχικά τον φασματικό κύβο με την παρακάτω εξίσωση: N ave (i,k)=[w ave (i,k)-d ave (i,k)] - min[w ave (i,k)-d ave (i,k)] / max[w ave (i,k)-d ave (i,k)] (5) Όπου, W ave (i,k) ο μέσος όρος των εικονοστοιχείων της χωρικής (i) και φασματικής (k) διάστασης της άσπρης εικόνας που έχει ληφθεί, τοποθετώντας άσπρο αφρώδες υλικό μπροστά στο φακό, D ave (i,k) ο μέσος όρος των εικονοστοιχείων της χωρικής (i) και φασματικής (k) διάστασης της μαύρης εικόνας που έχει ληφθεί καλύπτοντας το φακό με μαύρο υλικό μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου, min[w ave (i,k)-d ave (i,k) η διαφορά του μέσου όρου των ελάχιστων τιμών των εικονοστοιχείων της χωρικής (i) και φασματικής (k) διάστασης της άσπρης και μαύρης εικόνας και max[wave(i,k)-dave(i,k)] η διαφορά του μέσου όρου των μέγιστων τιμών των εικονοστοιχείων της χωρικής (i) και φασματικής (k) διάστασης, της άσπρης και μαύρης εικόνας. Κάθε λευκή και μαύρη εικόνα προέκυψε από το μέσο όρο των τιμών των εικονοστοιχείων της χωρικής και φασματικής διάστασης 30 διαφορετικών λήψεων. Οι τελικές τιμές των εικονοστοιχείων της εικόνας του δείγματος (C j (i,k)) προκύπτουν από τη διαίρεση αρχικής λήψης του στόχου (R j (i,k)) με τις τιμές των ομαλοποιημένων στοιχείων N ave (i,k), όπως φαίνεται και στην εξίσωσης: C j (I,k)=[R j (I,k)-D ave (I,k)] min[rj(i,k)-d ave (I,k)] / N ave (I,k) (6) Οι Zakaluk και Ranjan (2008) δημιουργούν μία καμπύλη ανάκλασης (reflectance value) της κλίμακας του γκρι (20 επιπέδων), στις αντίστοιχες συνθήκες που επικρατούν στο θερμοκήπιο πριν την έναρξη της εικονογράφησης. Οι Mazzeto et al. (2009) λαμβάνουν φωτογραφία μόνο από λευκή επιφάνεια (τεφλόν υλικό) και τοποθετούν μαύρο πανί εδαφοκάλυψης στην πίσω πλευρά του φυτού, ενώ οι Graeff και Claupein (2007) μετρούν την ανάκλαση του φύλλου σε σταθερές συνθήκες φωτισμού (με λαμπτήρα εκκένωσης 50W), τοποθετώντας την κάμερα σε απόσταση 20cm από το δείγμα. Σε κάθε φάση βαθμονόμησης της κάμερας, περιλαμβάνεται η διαδικασία προεπεξεργασίας τής εικόνας. Οι Gonzalez et al. (2004) θεωρούν την προεπεξεργασία της εικόνας ως μία απαραίτητη διαδικασία, η οποία προηγείται της εξαγωγής των χαρακτηριστικών της και της ταξινόμησης της
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 13 πληροφορίας και βελτιστοποιεί την απόδοση της μέτρησης, χρησιμοποιώντας κατάλληλα φίλτρα, έτσι ώστε η πληροφορία τους να μπορεί να περιγραφεί από όσο το δυνατόν μικρότερο αριθμό bit (συμπίεση δεδομένων), με σκοπό τη γρήγορη μετάδοσή τους μέσω διαύλων περιορισμένης χωρητικότητας (bandwidth). Η προεπεξεργασία της εικόνας επιτυγχάνεται με φίλτρα αφαίρεσης θορύβου σε κατάλληλα λογισμικά, όπως το MATLAB, το Envi, το Gimp κλπ. Τα φίλτρα Kalman μπορούν να δώσουν μία καλύτερη εκτίμηση της κλίσης των φύλλων στον τρισδιάστατο χώρο, ώστε να γίνει διόρθωση του προσανατολισμού της ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλά το φυτό. Για την επεξεργασία της εικόνας για την απομάκρυνση θορύβων και τη βελτίωση της μέτρησης μπορούν κα χρησιμοποιηθούν και άλλα φίλτρα, όπως τετραγωνικά ή κυκλικά φίλτρα μέσου όρου, Gaussian φίλτρα κλπ. 3. Πειραματική Διαδικασία 3.1. Εγκαταστάσεις και καλλιέργεια Στο πλαίσιο της έρευνας υλοποιήθηκε μια σειρά μετρήσεων και πειραμάτων στο Αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στο Βελεστίνο (συντεταγμένες: 39 ο 44 Β, 22 ο 79 Α, υψόμετρο 85 m), στα θερμοκήπια του Εργαστηρίου Γεωργικών Κατασκευών & Ελέγχου Περιβάλλοντος (ΕΓΚ&ΕΠ) και στο θάλαμο ανάπτυξης του Ινστιτούτου Έρευνας και Τεχνολογίας Θεσσαλίας (ΙΕΤΕΘ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ). Ο κλειστός θάλαμος είναι ένας χώρος 28m 2, διαστάσεων 4m πλάτος, 7m μήκος και 3.2m ύψος, ελεγχόμενων και ρυθμιζόμενων συνθηκών ακτινοβολίας, εξοπλισμένος με λαμπτήρες εκκένωσης νατρίου υψηλής πίεσης. Συνολικά, υπάρχουν εγκατεστημένοι 24 λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης, 600W έκαστος, οι οποίοι σε πλήρη λειτουργία αποδίδουν ενέργεια ίση με 240 W/m 2 στο κέντρο του θαλάμου. Οι λαμπτήρες είναι χωρισμένοι σε 4 ομάδες των 6 λαμπτήρων. Η ένταση της ακτινοβολίας τής κάθε ομάδας είναι 60 W/m 2. Αφού γίνει η έναρξη, οι λαμπτήρες θερμαίνονται μέχρι να φτάσουν σε πλήρη φωτεινότητα, σε περίπου 10 λεπτά. Το θερμοκήπιο είναι απλό τροποποιημένο τοξωτό με επιφάνεια 160m 2 (20m μήκος και 8m πλάτος), με προσανατολισμό Β-Ν, ύψος κορφιά 4.1m και ύψος υδρορροής 2.9m. Είναι κατασκευασμένο από γαλβανισμένο χάλυβα και έχει κάλυψη από απλό φιλμ πολυαιθυλενίου. Ο φυσιολογικός αερισμός
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 14 γίνεται μέσω δύο πλαϊνών ανοιγμάτων και ενός ανοίγματος οροφής που διατρέχουν όλο το μήκος του θερμοκηπίου. Υπάρχει εγκατεστημένος αναμικτήρας αέρα. Το θερμοκήπιο είναι προσαρμοσμένο για υδροπονική καλλιέργεια. Το έδαφος είναι πλήρως καλυμμένο με αδιαφανές πλαστικό λευκό-μαύρο με τη λευκή πλευρά προς τα επάνω. Η καλλιέργεια γίνεται σε στενούς πάγκους με στηρίγματα μεταβλητού ύψους. Υπάρχουν 4 τέτοιοι πάγκοι κατά μήκος του θερμοκηπίου, ο καθένας από τους οποίους φιλοξενεί 2 κανάλια. Στο θερμοκήπιο χρησιμοποιείται σύστημα στάγδην με ρυθμιζόμενους σταλάκτες. Κάθε σταλάκτης έχει παροχή 2L/h και η διαχείριση των συστημάτων άρδευσης και ελέγχου περιβάλλοντος γίνεται μέσω του συστήματος Argos Electronics που έχει αναπτυχθεί από το ΕΓΚ&ΕΠ σε συνεργασία με την εταιρεία Argos Electronics. 3.2. Υλικά Μια σειρά από όργανα μέτρησης του κλίματος και της φυσιολογικής κατάστασης της καλλιέργειας χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της έρευνας αυτής. Παρακάτω γίνεται αναφορά του απαραίτητου εξοπλισμού: Φορητό υπερφασματικό σπεκτροραδιόμετρο (ADS, 350 2500nm) Vis/NIR FieldSpec 4 Hi-Res) (Εικόνα 4), το οποίο μετρά από 350 έως 2500nm ανά 1 nm. Το όργανο απαρτίζεται από: έναν αισθητήρα επαφής, ένα μηχανισμό επεξεργασίας της ακτινοβολίας που λαμβάνει ο αισθητήρας έναν υπολογιστή καταγραφικό των δεδομένων μία λευκή πλάκα γνωστής ανάκλασης για τη βαθμονόμηση του αισθητήρα Χαρακτηριστικό της μεθόδου είναι η εξ επαφής μέτρηση της ακτινοβολίας από το φύλλο, ενώ για τον περιορισμό των σφαλμάτων που προκύπτουν από την ανάκλαση του εδάφους, τοποθετείται πίσω από το φύλλο μαύρο χαρτόνι. Το φασματοφωτόμετρο μπορεί να καταγράψει ένα πλήρες φάσμα από 350 έως 2500nm σε 0.1 δευτερόλεπτα, καθιστώντας εφικτή τη συλλογή περισσότερων δεδομένων σε λιγότερο χρόνο, καθώς και την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων που σχετίζονται με τα σύννεφα και τον άνεμο, σύμφωνα με τον ηλιακό φωτισμό. Ο αισθητήρας μέτρησης της
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 15 ανάκλασης παρέχει πηγή φωτός που αντιστοιχεί σε 100W. Οι προδιαγραφές του εξοπλισμού αναφέρονται αναλυτικά στο εγχειρίδιο του Arthur (2007). Εικόνα 4. Απεικόνιση του μηχανισμού επεξεργασίας (ADS, 350-2500nm) της ακτινοβολίας, του φορητού υπολογιστή, του αισθητήρα, της πλάκας γνωστής ανάκλασης και του μαύρου χαρτονιού που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία Πολυφασματική κάμερα (custom model, Quest Innovation) (Εικόνα 5), η οποία καταγράφει τα δεδομένα σε 3 αισθητήρες μήκους κύματος 590-680nm, 690-830nm και 830-1000nm της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (κόκκινο, κοντινό υπέρυθρο και υπέρυθρο), με χωρική ανάλυση 1280x1024 εικονοστοιχεία (1.3 Mpixel) για κάθε αισθητήρα. Η πολυφασματική κάμερα έχει φακό τύπου F σταθερής εστιακής απόστασης 28 mm, άρα σταθερή γωνία λήψης και σταθερή μεγέθυνση και δαχτυλίδι χειροκίνητης εστίασης από το ρυθμιστή, με δυνατότητα λήψης από 30 cm έως 5 m. Αποτελείται από αισθητήρα τύπου CMOS και στέλνει τα δεδομένα σε μία κάρτα Frame Link Express. Το λογισμικό παραμετροποίησης και επικοινωνίας με την κάμερα είναι της ίδιας εταιρείας (Frame Link Express Application, Imperx, USA).
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 16 Εικόνα 5. Πολυφασματικη κάμερα (Custom model, Quest Innovation) και κάρτα express card (Frame Link Express) Για τη βαθμονόμηση της κάμερας χρησιμοποιήθηκε παλέτα κλίμακας του γκρι γνωστής ανάκλασης 90%, 83%, 76%, 63%, 40%, 26%, με 90% το λευκό και 26% το μαύρο. Για τη μέτρηση της έντασης του φωτός χρησιμοποιήθηκε πυρανόμετρο (SP Lite Silicon Pyranometer, Cambell Scientific Inc). Ο αισθητήρας μετράει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια του φωτός στο φάσμα των 400-1100nm, σε όλο το ημισφαίριο των 180 o του οπτικού του πεδίου και δίνει μέτρηση σε W/m 2. 4. Μέθοδοι βαθμονόμησης αισθητήρων φασματικής ανάκλασης 4.1. Χρήση και Βαθμονόμηση φορητού σπεκτροραδιομέτρου Η βαθμονόμηση του φορητού σπεκτροραδιομέτρου πραγματοποιείται στο χώρο της μέτρησης. Πριν από οποιαδήποτε διαδικασία, βεβαιώνεται η πληρότητα της ενέργειας των μπαταριών (12V) και συστήνεται το ζέσταμα του μηχανισμού ανάλυσης της ακτινοβολίας για 30 λεπτά, πατώντας το On και αφήνοντας το μηχανισμό σε αδράνεια. Η διαδικασία της θέρμανσης του μηχανισμού είναι απαραίτητη, καθώς εξαλείφει το θόρυβο λήψης που σχετίζεται με την τυχαία λήψη φωτονίων του ανιχνευτή. Η βελτιστοποίηση της ευαισθησίας του αισθητήρα να συλλάβει το φως σε διαφορετικές συνθήκες φωτισμού είναι απαραίτητη και επιτυγχάνεται τοποθετώντας το οπτικό πεδίο του αισθητήρα πάνω στη λευκή πλάκα γνωστής ανάκλασης, για τη βελτιστοποίηση (optimization) και την ταυτοποίηση της καμπύλης (white reference). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται κάθε 15-20 λεπτά, με το σπεκτροραδιόμετρο να προσαρμόζει αυτόματα το σφάλμα της μέτρησης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μπαταρία, ώστε να ανταποκρίνεται στο χρονικό διάστημα περάτωσης των πειραμάτων. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε σε 6 φύλλα όμοιας δομής, σχήματος και μεγέθους, από τον τέταρτο με έκτο κλάδο της κορυφής της κόμης, για 3 διαφορετικά φυτά, ώστε να μειωθεί το φαινόμενο της παραλλακτικότητας και να υπολογιστεί ο μέσος όρος ανάκλασης από κάθε φυτό. Προσοχή βέβαια, δόθηκε στον χρόνο επαφής του αισθητήρα με το φύλλο, καθώς παρατεταμένη διάρκεια μπορεί να προκαλέσει εγκαύματα στην επιδερμίδα τους. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν σε συγκεκριμένη ώρα κάθε πρωί, για να μειωθεί ακόμη περισσότερο το φαινόμενο της φυλλικής
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 17 παραλλακτικότητας. Μετά την ανάκτηση των δεδομένων, περαιτέρω επεξεργασία πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού ViewSpec Pro, όπου τα δεδομένα μετατρέπονται σε μορφή κειμένου. Στην Εικόνα 6 απεικονίζεται η φασματική ταυτότητα ενός φύλλου μετά τη ViewSpec Pro επεξεργασία, όπου οι ψηφιακοί αριθμοί έχουν μετατραπεί σε τιμές ανάκλασης. Εικόνα 6. Απεικόνιση παραθύρου μετατροπής των μετρήσεων του σπεκτροραδιομέτρου (ADS), από ψηφιακούς αριθμούς σε μετρήσεις ανάκλασης, σε μορφή εύκολα επεξεργάσιμη (.txt). Στο Διάγραμμα 1 φαίνεται η εξέλιξη της ανάκλασης έξι διαφορετικών φύλλων, που βρίσκονται μεταξύ τέταρτου και έκτου κλάδου του ίδιου φυτού, στο φάσμα των 350 έως 2500nm, όπως μετρήθηκε από το φορητό σπεκτροραδιόμετρο (ADS). Τα φυτά έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και διαφορετικό συντελεστή ανάκλασης στις διαφορετικές περιοχές του φάσματος. Ένα υγιές φυτό ανακλά μικρή ποσότητα της ακτινοβολίας στην κόκκινη περιοχή και μεγάλη ποσότητα στην κοντινή υπέρυθρη και στην υπέρυθρη περιοχή. Παρόλα αυτά, τα φύλλα αν και είναι ίδιας ηλικίας, δεν παρουσιάζουν σταθερή ένταση της ανάκλασης, με τις μικρότερες τιμές να αντιπροσωπεύουν τα πιο σκούρα πράσινα φύλλα και τις μεγαλύτερες να αντιπροσωπεύουν τα πιο ανοιχτά πράσινα και λεπτά φύλλα. Επίσης παρατηρείται ότι η τιμή της ανάκλασης στην κόκκινη ζώνη κυμαίνεται στα 0.7, ενώ στην κοντινή και μακρινή υπέρυθρη κυμαίνεται στα 0.55, με τις μεγαλύτερες διαφορές να παρατηρούνται στα μήκη κύματος 700-1300nm και 1400-1880nm με διακύμανση του συντελεστή ανάκλασης έως 0.1 και στην περιοχή 2100-2300nm με τη μέγιστη διαφορά να φτάνει μέχρι και το 0.069. Στο Διάγραμμα 2 φαίνεται η εξέλιξη του μέσου όρου 6 διαφορετικών φύλλων, μεταξύ του τέταρτου και έκτου κλάδου, για τρία διαφορετικά φυτά. Στην περίπτωση αυτή, παρατηρείται μία μεταβολή
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 18 στα αντίστοιχα μήκη κύματος, με τη μέγιστη διαφορά να φτάνει στις 0.037 μονάδες. Διάγραμμα 1. Φασματική ανάκλαση φύλων (L1-L6) διαφορετικής δομής και ηλικίας, όπως μετρήθηκε από το φορητό σπεκτροραδιόμετρο (ADS). Διάγραμμα 2. Φασματική ανάκλαση διαφορετικών φυτών (P1-P3), όπως προκύπτει από τον υπολογισμό του μέσου όρου των 6 διαφορετικών φύλλων. Τα διαγράμματα 1 και 2 αποδεικνύουν τους παραπάνω ισχυρισμούς σχετικά με την έντονη παραλλακτικότητα η οποία οφείλεται στη δομή, το πάχος και την ηλικία του φύλλου, καθιστώντας τη μέθοδο καταλληλότερη για φύλλα απλούστερης δομής, όπως τα μονοκοτυλήδονα. Επιπλέον, σημαντικό παράγοντα αναξιοπιστίας της μεθόδου αποτελεί το γεγονός ότι, ο αισθητήρας του σπεκτροραδιόμετρου έρχεται σε επαφή μόνο με ένα τμήμα και όχι με ολόκληρο το φύλλο, με αποτέλεσμα να δυσκολεύει την εκτίμηση της υδατικής κατάστασης της καλλιέργειας. Στη συνέχεια, τα δεδομένα φορτώνονται στο MATLAB και υφίστανται επεξεργασία, ώστε να προκύψουν οι πιο αντιπροσωπευτικοί δείκτες ένδειξης υδατικής καταπόνησης, σύμφωνα με τη
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 19 βιβλιογραφία. Για τη στατιστική ανάλυση, ομαλοποίηση των δεδομένων και βελτίωση του σφάλματος, χρησιμοποιείται η μέθοδος PCA στο λογισμικό MEV 4.8.1 (Multiple Array Viewer), υπολογίζοντας την τυπική απόκλιση και το μέσο όρο της μέτρησης. 4.2. Χρήση και Βαθμονόμηση πολυφασματικής κάμερας Για τη βαθμονόμηση της πολυφασματικής κάμερας, ακολουθήθηκε η διαδικασία η οποία έχει περιγραφεί στη θεωρητική ανασκόπηση, με το πρώτο στάδιο να πραγματοποιείται στο θάλαμο ελεγχόμενων και ρυθμιζόμενων συνθηκών φωτισμού και το δεύτερο στάδιο, στο χώρο του θερμοκηπίου. Ο θόρυβος του σκοτεινού ρεύματος της συσκευής, υπολογίστηκε εντός του θαλάμου, με κλειστά φώτα, καλύπτοντας το φακό με μαύρο ύφασμα. Ο ψηφιακός θόρυβος της συσκευής υπολογίστηκε σύμφωνα με την εξίσωση 1 και 2, με το διάφραγμα του φακού να έχει το μεγαλύτερο άνοιγμα και το εύρος των εικονοστοιχείων να κυμαίνεται στα μεγέθη 160x120, 320x240, 640x480, 960x720 και 1280x1024. Για το μέγιστο υπολογισμό του θορύβου σκοτεινού ρεύματος, χρησιμοποιήθηκε το παρακάτω script (σε MATLAB παράδειγμα με δείγμα δύο εικόνων JPEG): %% Signal to noise ratio a=(imread ('20131208131811935.jpg')); b=(imread ('20131208131816940.jpg')); k=(double(a)+double(b))./2; m=mean(k,3); for i=1:3 d(:,:,i) = k(:,:,i)-m; end t=d.^2; s=sum(sum(sum(t))); lsb=sqrt(s); bit=log2(lsb); db=(1.763+6.02*(14-log2(lsb))); Στον Πίνακα 1 παρουσιάζεται η τιμή του θορύβου σκοτεινού ρεύματος για διαφορετική χωρική διάσταση. Στη μεγαλύτερη χωρική διάσταση, ο θόρυβος υπολογίστηκε στα 10.9 bits ή 20.36 db, ενώ στη μικρότερη χωρική διάσταση, ο θόρυβος υπολογίστηκε στα 7.6 bits ή 40.28 db. Οι τιμές αυτές, αποτελούν τη μέγιστη τιμή του θορύβου που μπορεί να προκαλέσει η συσκευή, χωρίς την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας και μειώνονται όσο μεγαλώνει η χωρική διάσταση της εικόνας. Στην Εικόνα 7, φαίνονται ευκρινώς οι γραμμές που προκύπτουν από το θόρυβο του αισθητήρα.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 20 Πίνακας 1. Υπολογισμός του ψηφιακού θορύβου της συσκευής με χωρική διάσταση, 160x120, 320x240, 640x480, 960x720 και 1280x1024 εικονοστοιχεία. Μονάδα μέτρησης 160x120 320x240 640x480 960x720 1280x1024 bits 7.6 8.52 9.58 10.17 10.9 db 40.28 34.75 28.3 24.78 20.36 Εικόνα 7. Απεικόνιση επίδρασης του θορύβου σκοτεινού ρεύματος στην ποιότητα της εικόνας 640x480 εικονοστοιχείων Με βάση τον υπολογισμό του σκοτεινού ρεύματος, όλες οι λήψεις πραγματοποιήθηκαν σε χωρική ανάλυση 1280x1024, ενώ όσο αυξάνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στο χώρο, ο θόρυβος του σκοτεινού ρεύματος του αισθητήρα ομαλοποιείται και μειώνεται. Ο χρονικός θόρυβος ελαττώνεται με τον υπολογισμό του μέσου όρου 10 εικόνων, οι οποίες λαμβάνονται κάθε 6 δευτερόλεπτα, για κάθε διαφορετική συνθήκη. Για τη ραδιομετρική και γεωμετρική βελτίωση της εικόνας, με βάση τις ρυθμίσεις της κάμερας, επιλέγεται η σωστή τιμή διαφράγματος με βάση την ένταση της ακτινοβολίας. Οι τιμές έκθεσης της φωτεινότητας του κάδρου που θα καθορίσουν την τιμή του διαφράγματος του συγκεκριμένου αισθητήρα, προκύπτουν από μία σειρά εικονογραφήσεων του λευκού γνωστής ανάκλασης, στον κλειστό θάλαμο ρυθμιζόμενων συνθηκών ακτινοβολίας. Για διαφορετικά επίπεδα φωτός, ρυθμίζονται 4 σκάλες λαμπτήρων, ενώ ο φωτισμός της σκηνής προσδιορίζεται μέσω του πυρανόμετρου. Σε κάθε σκάλα λαμπτήρων, λαμβάνονται φωτογραφίες με διαφορετικές τιμές διαφράγματος σε μονάδες f (λόγος της εστιακής απόστασης προς τη διάμετρο του φακού): f/3.5,
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 21 f/5.6, f/8, f/11, f/16 και f/22. Όσο πιο μεγάλος ο αριθμός f, τόσο πιο μικρό το διάφραγμα. Κάθε f αντιστοιχεί σε διπλασιασμό της ποσότητας του φωτός που περνά από το φακό, από το προηγούμενο διάφραγμα. Η κάμερα τοποθετείται σε απόσταση 30cm από το στόχο - λευκό γνωστής ανάκλασης (Y=78.42, x=0.306, y=0.3107 ή L=90.92, a=0.74, b=-2.60), ενώ η ένταση του χρώματος του αισθητήρα κωδικοποιείται σε 8 bit (2 8 =256), παίρνοντας τιμές από 0 έως 255. Η εξομάλυνση του θορύβου του σκοτεινού ρεύματος στη λήψη του λευκού, πραγματοποιείται μέσω φίλτρων, τα οποία λειαίνουν (θολώνουν, blur) τις ακμές, χρησιμοποιώντας μία διαδικασία κατωφλίωσης (thresholding). Μία απλή τέτοια διαδικασία η οποία χρησιμοποιεί ένα όριο (κατώφλι), αφού υπολογίσει το μέσο όρο των σημείων σύμφωνα με τα προηγούμενα, περιλαμβάνει στην περιοχή μόνο τα σημεία εκείνα των οποίων η διαφορά από τον μέσο όρο είναι μικρότερη από το όριο. Η υλοποίηση του φίλτρου μέσου όρου στο MATLAB γίνεται με την εντολή fspecial, σε τετράγωνο (average) ή σε κυκλικό φίλτρο, εφόσον έχει γίνει μετασχηματισμός της πληροφορίας σε δυαδική μορφή (0 και 1) και έχει βελτιωθεί η αντίθεση (contrast) των εικονοστοιχείων, αλλάζοντας τα όρια της έντασης της εικόνας σε νέες τιμές, μέσω της συνάρτησης imadjust. Η σειρά των εντολών περιγράφεται παρακάτω: ή f=imread('20131123124226636.jpg'); f=rgb2gray(f); g=imadjust(f,stretchlim(f),[0.1 0.9]); h1=fspecial('average',[10 10]); g1=imfilter(f,h1,'replicate'); h2= fspecial('disk',5); g2=imfilter(f,h2,'replicate'); Κατά συνέπεια, το φίλτρο που επιδρά σε εικόνα f(x,y), δημιουργεί μία άλλη g(x,y) εξομαλύνοντας (smoothing) τις τιμές των εικονοστοιχείων από το θόρυβο (Εικόνα 8). Στο Διάγραμμα 3 φαίνονται οι καμπύλες της έντασης του χρώματος του πρότυπου λευκού όπως προκύπτουν από τον αισθητήρα, για διαφορετικές τιμές διαφράγματος. Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, η πολυφασματική κάμερα δίνει την κοντινότερη τιμή έντασης του χρώματος στο πρότυπο (90%) όταν το διάφραγμα είναι f/5.6. Για ένταση φωτός 170W/m 2, δε χρειάζεται προσαρμογή gain/offset, ενώ για ένταση φωτός 50, 90, 130W/m 2 πραγματοποιείται προσαρμογή
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 22 gain/offset σύμφωνα με την εξίσωση 3. Σε τιμές διαφράγματος μεγαλύτερες από f/5.6 (δηλ., f/3.5, f/), ο αισθητήρας δε μπορεί να αντιληφθεί την απόχρωση του λευκού, χαρακτηρίζοντάς την ως απόλυτο λευκό 100%. Εικόνα 8. Αρχική εικόνα f(x,y) (αριστερά), φιλτραρισμένη εικόνα g(x,y) (δεξιά) με φίλτρο average. Τέλος, ο χωρικός θόρυβος εξαλείφεται με τεχνικές διορθώσεις gain/offset (Εικόνα 9). Ωστόσο, η βαθμονόμηση πραγματοποιείται στο πλαίσιο μιας υποκείμενης παραδοχής, ότι όλα τα εικονοστοιχεία συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο και ο χωρικός θόρυβος αντιμετωπίζεται σε στάδιο που προηγείται της φασματικής καμπύλης, μέσω της κλίμακας του γκρι. Εφόσον λοιπόν, έχει οριστεί η κατάλληλη τιμή διαφράγματος για διαφορετικά επίπεδα φωτισμού, πραγματοποιείται ανάλυση της λευκής επιφάνειας μέσω της εντολής White Balance, Analyze του προγράμματος Frame Link Express (Εικόνα 9). Με την εντολή αυτή, μετράται η ένταση του λευκού, ενώ με την εντολή Apply ρυθμίζεται αυτόματα η τιμή των gain/offset που ορίζουν το σήμα εξόδου του αισθητήρα δεδομένης αντίληψης της ανάκλασης του πρότυπου λευκού. Μετά την παραπάνω διαδικασία, αξιολογείται η φωτεινότητα (lightness) των χρωμάτων, χρησιμοποιώντας αποχρώσεις του γκρι (standards γνωστής ανάκλασης) των οποίων η ανάκλαση μετρήθηκε με το χρωματόμετρο με Y=78.42, x=0.306, y=0.3107 για το λευκό, Y=31,52, x=0.3114, y=0.3147 για το μέσο γκρι, Y=4.62, x=0.3230, y=0.3259 για το μαύρο και 3 ενδιάμεσες
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 23 αποχρώσεις του γκρι, ακολουθώντας τα πρότυπα CIEN που προσδιορίζουν την ένταση της φωτεινότητας της εικόνας. Μέσω της εξίσωσης 4, υπολογίζεται ο συντελεστής ανάκλασης για κάθε χρώμα και διασταυρώνεται με την τιμή του προτύπου. Στο Διάγραμμα 4, παρουσιάζεται η τιμή του σφάλματος που θα έπρεπε να δείχνει ο αισθητήρας, σε σχέση με την τιμή των προτύπων, στην κλίμακα του γκρι. Διάγραμμα 3. Καμπύλες έντασης χρώματος του πρότυπου λευκού για διαφορετικές τιμές διαφράγματος του αισθητήρα Εικόνα 9. Παράθυρο ελέγχου της έντασης των χρωμάτων (gain/offset) για την αποτύπωση του λευκού στις αντίστοιχες συνθήκες φωτισμού.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 24 Στο δεύτερο στάδιο βαθμονόμησης που πραγματοποιείται μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου, η κλίμακα του γκρι αντικαθίσταται από την ανάκλαση του φυτού και έχει δεδομένη τιμή διαφράγματος (f/5.6) για ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στα 150W/m 2. Αρχικά γίνεται λήψη του λευκού προτύπου και διορθώνονται τα gain/offset της κάμερας, με τη διαδικασία που έχει ήδη περιγραφεί. Στη συνέχεια πραγματοποιείται εικονογράφηση των φύλλων του φυτού σε απόσταση 30cm. Στις αντίστοιχες ρυθμίσεις, ο συντελεστής ανάκλασης αξιολογείται με βάση το εμβαδόν της φυλλικής επιφάνειας που καλύπτει ο φακός. Για το λόγο αυτό, η κάμερα τοποθετήθηκε σε διαφορετικές αποστάσεις από το φυτό (30, 40, 70, 90 και 110cm), όπως φαίνεται στην Εικόνα 10. Διάγραμμα 4. Εξίσωση συσχέτισης του συντελεστή ανάκλασης του αισθητήρα με το συντελεστή ανάκλασης του προτύπου της κλίμακας του γκρι. Η τιμή της ανάκλασης του λευκού πρότυπου μεταβάλλεται έντονα μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου λόγω σκιάσεων και η προσαρμογή του αισθητήρα στις συνθήκες όπου θα πραγματοποιηθεί η εικονογράφηση του στόχου, είναι απαραίτητη. Σχετικά με το διαχωρισμό των ακμών, η μετάβαση από το φωτεινό στο σκοτεινό σημείο δε γίνεται στιγμιαία, ένδειξη ότι η ανίχνευση ακμών είναι ένας πολύπλοκος υπολογισμός. Στην Εικόνα 11 αναπαριστάται η ανάκλαση του λευκού σε συνθήκες ανομοιόμορφου φωτισμού.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 25 Εικόνα 10. Εικονογράφηση φυτού μέσω πολυφασματικής κάμερας Quest Innovation. Εικόνα 11. Πολυφασματική εικόνα λευκού γνωστής ανάκλασης 1280x1040 εικονοστοιχείων, σε συνθήκες ανομοιόμορφου φωτισμού, με τη σκιά να παρεμβάλλεται (μπλε επιφάνεια). Ο διαχωρισμός των ακμών και η απομάκρυνση του φόντου από την εικόνα γίνεται με την εντολή kmeans του MATLAB. Ο αλγόριθμος αυτός, μέσω της επιλογής των ομάδων, καθορίζει τα κεντροειδή τους και τα συγκρίνει με τα γειτονικά κεντροειδή, με σκοπό τον υπολογισμό νέων κεντροειδών. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να συγκλίνει ο αλγόριθμος σε κάποιο κριτήριο. Ο αλγόριθμος ξεκινά διαχωρίζοντας τα αρχικά σημεία σε k αρχικά σύνολα, στη συνέχεια υπολογίζει το μεσαίο ή το κεντροειδές του κάθε συνόλου και υλοποιεί νέο διαχωρισμό, ώστε το κάθε σημείο να σχετίζεται με το κοντινότερο κεντροειδές. Στη συνέχεια, τα κεντροειδή επαναϋπολογίζονται για τις νέες ομάδες. Ο αλγόριθμος επαναλαμβάνει τα δύο βήματα, ωσότου τα σημεία να μην μπορούν να αλλάξουν ομάδες (ή εναλλακτικά τα κεντροειδή να παραμένουν αμετάβλητα). Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιείται ευρέως επειδή τείνει σε κάποιο όριο πολύ
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 26 γρήγορα, ωστόσο η ποιότητα της τελικής λύσης εξαρτάται πολύ από το αρχικό σύνολο των ομάδων και τον αριθμό των ομάδων που πρέπει να οριστεί εξαρχής, όπως φαίνεται παρακάτω: %% Read an image img=rgb2gray(imread ('20131123121541324.jpg')); % Display the image figure,imshow(img),title('original image'); img1=double(img(:,:,:)); % Declate the number of segments k=3; %Run the function [mu,mask]=kmeans(img1,k) Η τελική τιμή της ανάκλασης του φυτού, για διαφορετικές αποστάσεις λήψεις του αισθητήρα, παρουσιάζεται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2. Μέση τιμή έντασης της ανάκλασης του φυτού στην κλίμακα του γκρι, μετά από την απομάκρυνση του φόντου και τη ραδιομετρική διόρθωση της εικόνας, για διαφορετικές αποστάσεις. Απόσταση cm Συντ. ανάκλασης 20 0.438780 40 0.430833 70 0.444675 90 0.464413 110 0.462098 Επιπροσθέτως, από τον Πίνακα 2 φαίνεται ότι όσο απομακρύνεται η πολυφασματική κάμερα από το φυτό, υπολογίζεται η ανάκλαση περισσότερων εικονοστοιχείων πάνω στην επιφάνεια του φυτού και του φόντου αντίστοιχα και μεγαλώνει ο μέσος όρος, δίνοντας μια πιο αξιόπιστη μέτρηση για την καλλιέργεια και για τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Από την παραπάνω έρευνα, φαίνεται πόσο σημαντική είναι η ραδιομετρική διόρθωση της εικόνας, η οποία δίνει την πληροφορία της έντασης της ακτινοβολίας που ανακλά το φυτό, ανάλογα με τη θέση του μέσα στο θερμοκήπιο. Στον Πίνακα 3 φαίνεται η ένταση των χρωμάτων που αντανακλά το φυτό πριν και μετά τη ραδιομετρική διόρθωση της εικόνας και την απομάκρυνση του θορύβου, στην κόκκινη, στην κοντινή υπέρυθρη και στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 27 Πίνακας 3. Τελική τιμή της έντασης του χρώματος και συντελεστής ανάκλασης της κόκκινης, κοντινής υπέρυθρης και υπέρυθρης ζώνης που εκπέμπει ένα υγιές φυτό (τομάτα), στο χώρο του θερμοκηπίου, για διαφορετικές αποστάσεις λήψης (εμβαδά φυλλικής επιφάνειας) Απόσταση Συντελεστής Ανάκλασης R SNIR NIR cm mean mean mean 20 0.067 0.479 0.502 40 0.069 0.488 0.516 70 0.071 0.505 0.582 90 0.079 0.594 0.571 110 0.08 0.592 0.573 Η θεωρία αυτή επιβεβαιώνεται στον Πίνακα 3, με το συντελεστή ανάκλασης σε όλες τις περιοχές να αυξάνεται ανάλογα με το εμβαδόν της φυλλικής επιφάνειας. Η ανακλώμενη ακτινοβολία που εκπέμπει το φυτό σε κατάσταση υδατικής καταπόνησης, έχει την τάση να αυξάνεται και στις 3 μπάντες, με τις τιμές της έντασης του χρώματος να μεταβάλλονται προς τα κάτω (από ανοιχτό σε σκούρο) (Διάγραμμα 5). Διάγραμμα 5. Καμπύλη συντελεστή ανάκλασης φυτού στην περιοχή του κόκκινου, του υπέρυθρου και του εγγύς υπέρυθρου, για διαφορετικά εμβαδά φυλλικής επιφάνειας. Η κοντινή υπέρυθρη περιοχή έχει τραβήξει την προσοχή της έρευνας των τελευταίων ετών, καθώς η ανάκλαση του φυτού σε αυτή τη ζώνη θεωρείται αξιόπιστη μέτρηση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης, όταν αυτή χρησιμοποιείται ως μέθοδος εντοπισμού ένδειξης υδατικής καταπόνησης του φυτού, χωρίς να επηρεάζεται ιδιαίτερα από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τη σκίαση και τη θέση του φυτού στο χώρο του θερμοκηπίου.
Π.1.2 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 28 5. Αξιολόγηση και προτυποποίηση αισθητήρων ανάκλασης για ορθότερη χρήση και επιλογή Η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα εξαρτάται από το στόχο της έρευνας και το χρήστη, ο οποίος πρέπει να συνυπολογίσει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της συσκευής. Το φορητό σπεκτροραδιόμετρο έχει τη δυνατότητα μέτρησης στην ευρύτερη περιοχή του φάσματος, από 350 έως 2500nm ανά 1 nm και μπορεί να δώσει τη φασματική ταυτότητα της συγκεκριμένης επιφάνειας του φύλλου, με μεγάλη ακρίβεια. Με τη μέθοδο αυτή, προκύπτουν δείκτες σε συγκεκριμένα μήκη κύματος σε διαφορετικές περιοχές, οι οποίοι αξιολογούν την υδατική κατάσταση του φυτού χωρίς να επηρεάζονται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Παρόλα αυτά, το φορητό σπεκτροραδιόμετρο είναι ένα βαρύς εξοπλισμός που δε μεταφέρεται εύκολα μέσα στο θερμοκήπιο και απαιτεί δύο άτομα για τη λήψη της μέτρησης, μη επιτρέποντας τη συνεχή καταγραφή των δεδομένων. Επιπλέον, ο αισθητήρας έρχεται σε επαφή με ένα μέρος της επιφάνειας του φύλλου, προκαλώντας τις περισσότερες φορές, εγκαύματα στην επιδερμίδα του, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται η τιμή της ανάκλασης, τόσο από την σημειακή μέτρηση, όσο και από τα καμένα επιδερμικά κύτταρα. Η ανάγκη για καταγραφή της ανακλώμενης ακτινοβολίας του φυτού από απόσταση, λόγω της έντονης παραλλακτικότητας της ανάκλασης του φύλλου ανάλογα με την ηλικία του, το μέγεθος και τη θέση του φυτού στο θερμοκήπιο, σηματοδοτεί την επιθυμία χρήσης αισθητήρων απεικόνισης. Οι αισθητήρες απεικόνισης (πολυφασματική και υπερφασματική κάμερα) αποτελούν μία περίπλοκη μέθοδο τηλεπισκόπισης, η οποία ωστόσο είναι μία μη καταστρεπτική τεχνική, που επιτυγχάνει γρήγορη επιθεώρηση μεγάλης επιφανείας του φυτού, μειώνοντας την παραλλακτικότητα της ανάκλασης του φύλλου που οφείλεται στην κυτταρική του δομή. Ακόμη, με αυτή την τεχνική, υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή ανάκλασης, ανάλογα με το στόχο και τις περιβαλλοντικές συνθήκες και μέσω της περαιτέρω επεξεργασίας της εικόνας, μπορεί να επιτευχθεί μείωση του σφάλματος της μέτρησης. Το μειονέκτημα της τεχνικής έγκειται στο γεγονός ότι δε μπορεί να δώσει αναλυτική πληροφορία της φασματικής ταυτότητας του φυτού, παρά μόνο την εξέλιξη ορισμένων φασματικών περιοχών. Όπως γίνεται αντιληπτό, από τη στιγμή που παραδίδεται η κάμερα στο χρήστη, υποβάλλεται σε δοκιμές για την αξιολόγηση των επιδόσεων. Η λήψη του λευκού, η μέτρηση του μαύρου, ο προσδιορισμός της κλίμακας του γκρι και η ανοχή του θορύβου, ενισχύουν την τελική ποιότητα των φωτογραφιών, διασφαλίζοντας ότι οι εικόνες πολυφασματικής και υπερφασματικής κάμερας θα δώσουν με ακρίβεια την τιμή της ανάκλασης του δείγματος.