Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1 ΕΡΓΟ ΑΡΙΣΤΕΙΑ 2632 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 1.3 Οδηγός βαθμονόμησης και χρήσης αισθητήρων μέτρησης από απόσταση 1. Βαθμονόμηση και χρήση αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας από απόσταση Για τη μέτρηση θερμοκρασίας από απόσταση εξετάστηκαν και βαθμονομήθηκαν δύο βασικά όργανα, ένας θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας και μία θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, πρόκειται για τις εξής συσκευές: Θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας (OS550A series Range 2, 20-122 cm), με δυνατότητα καταγραφής δεδομένων από απόσταση 20-122 cm, με οπτικό πεδίο 10:1 (Range 2) και με εύρος θερμοκρασίας από -23 έως 400 o C, έχει τη δυνατότητα να παρέχει δεδομένα προς επεξεργασία, άμεσα. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη του αισθητήρα φτάνει τα 5 V, όταν η μέτρηση της ένδειξης φτάσει τη τιμή της θερμοκρασίας (ή 1mV/ o C), ενώ η εξίσωση που μετατρέπει τα volt σε θερμοκρασία είναι y=84.6x-23. Στην Εικόνα 4 φαίνονται τα χαρακτηριστικά του θερμογράφου. Ο αισθητήρας αυτού του τύπου ανήκει στην 2 η κατηγορία, σύμφωνα με την απόσταση του αντικειμένου και έχει τη δυνατότητα να παρέχει δεδομένα προς επεξεργασία, άμεσα.
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 2 Θερμοκάμερα (Flir ThermaCAM TM P65) υπέρυθρης ακτινοβολίας (750-1300 nm), με διακύμανση -40 έως +500 o C και θερμική ευαισθησία 0.1 o C στους 30 o C. Η θερμοκάμερα απεικονίζει το στόχο με ανάλυση 320x240 εικονοστοιχείων, με δυνατότητα λεπτομερούς καταγραφής των θερμοκρασιακών αλλαγών, αρκετές ώρες την ημέρα. Το μέγεθος του φακού είναι 35 mm με οπτικό πεδίο 24 Ο. Η κάμερα ρυθμίζεται από λογισμικό που εμφανίζεται στην ενσωματωμένη οθόνη. Η θερμοκρασία λειτουργίας της κάμερας κυμαίνεται από -15 έως 50 o C και η θερμοκρασία αποθήκευσης κυμαίνεται από -40 έως +70 ο C. Η κάμερα έχει τη δυνατότητα λήψης θερμοκρασίας από 10 διαφορετικά σημεία ή υπολογισμού του μέσου όρου διαφορετικών περιοχών. 1.1. Βαθμονόμηση αισθητήρων υπέρυθρης θερμογραφίας Για την επαλήθευση της εγκυρότητας των μετρήσεων των υπέρυθρων θερμομέτρων είτε μέτρησης είτε απεικόνισης από απόσταση, είναι απαραίτητη η βαθμονόμησή τους στο χώρο του θερμοκηπίου. Σε κάθε περίπτωση, στους υπό εξέταση αισθητήρες πρέπει να ρυθμίζεται η σωστή τιμή του συντελεστή εκπεμπτικότητας, η οποία θα δώσει τη δυνατότητα στον αισθητήρα να καταγράφει την πραγματική τιμή της θερμοκρασίας ενός σώματος. Η ρύθμιση αυτή πραγματοποιείται μετρώντας τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα σταθερής θερμοκρασίας, για διαφορετικές τιμές ε κάθε φορά. Οι τιμές αυτές συγκρίνονται με τις μετρήσεις που καταγράφουν βαθμονομημένα θερμόμετρα, σε αυτή την περίπτωση τα θερμοζεύγη, ώστε να προσδιοριστούν τα σφάλματα των με-
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 3 θόδων. Ως μέλανα σώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά που χαρακτηρίζονται από υψηλό συντελεστή εκπεμπτικότητας, όπως ένα μαύρο χαρτόνι, ένα κομμάτι μέταλλο (σίδηρος, χαλκός) ή ένα κομμάτι γυαλί, καλυμμένα με μαύρο βερνίκι. Τα σώματα αυτά εκπέμπουν τη μέγιστη δυνατή ποσότητα ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στην απόλυτη θερμοκρασία τους, ενώ αντίστοιχα απορροφούν όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω τους. Ο παράγοντας ε μεταβάλλεται στο διάστημα 0 έως 1, ανάλογα με το αντικείμενο και έχει ισχυρή επίδραση στην ακτινοβολία από το αντικείμενο. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, οι αισθητήρες υπέρυθρης θερμογραφίας είναι τοποθετημένοι σε σταθερή απόσταση από την επιφάνεια του μέλανος σώματος, ενώ τα θερμοζεύγη έρχονται σε άμεση επαφή με το υλικό. Οι αισθητήρες συγχρονίζονται και καταγράφουν μία μέτρηση την ίδια χρονική στιγμή για διαφορετικούς συντελεστές εκπεμπτικότητας. Στη συνέχεια, οι αισθητήρες αξιολογούνται με σταθερό συντελεστή εκπεμπτικότητας, καταγράφοντας τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει το μέλαν σώμα σε διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος θερμοκηπίου. Κατά τη διαδικασία αυτή, προκύπτουν οι εξισώσει διόρθωσης, σύμφωνα με τις οποίες μειώνεται το σφάλμα των μετρήσεων των υπό εξέταση αισθητήρων, που οφείλονται είτε στην αναλογία σήματος-θορύβου της συσκευής είτε στην επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στο συντελεστή εκπεμπτικότητας του αισθητήρα. Τελικά, ο ακριβής καθορισμός του ε φαίνεται να αποτελεί το κλειδί για τη σωστή μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας ενός υλικού. Λόγω της έντονης αλληλεπίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας με το συντελεστή εκπεμπτικότητας του αισθητήρα, είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση τους σε όλο το εύρος της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, από τις συννεφιασμένες μέχρι τις ηλιόλουστες ημέρες του καλοκαιριού. Διαφορετικά, η χρήση λαμπτήρα μπορεί να συντελέσει στην ομοιομορφία των συνθηκών του στόχου κατά τη διαδικασία καταγραφής των δεδομένων, χωρίς την περαιτέρω βαθμονόμηση του αισθητήρα. 1.2. Βαθμονόμηση και χρήση θερμογράφου υπέρυθρης ακτινοβολίας Με σταθερό το συντελεστή εκπεμπτικότητας του θερμογράφου, μελετάται η μεταβολή των μετρήσεων της θερμοκρασίας με την απομάκρυνση του αισθητήρα από το μέλαν σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται ως μέλαν σώμα ένα υλικό που θα έχει υψηλό συντελεστή
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 4 αγωγιμότητας, όπως ένα δοχείο με νερό, το οποίο αν και έχει πολύ χαμηλή εκπεμπτικότητα στο ορατό φάσμα, αποτελεί άριστο μέλαν σώμα στην περιοχή του υπέρυθρου. Στόχος είναι η αξιολόγηση της απόστασης που πρέπει να τοποθετηθεί ο θερμογράφος από το μέλαν σώμα, ώστε η μέτρηση να πλησιάσει τις τιμές των θερμοζευγών που είναι βυθισμένα μέσα στο νερό. Οι μετρήσεις γίνονται σε πραγματικό χρόνο, σε διάφορες αποστάσεις του θερμογράφου από το μέλαν σώμα, σε θέση ναδίρ στοχεύοντας στην επιφάνεια του νερού. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται θέτοντας ως στόχο το φυτό. Με βάση τις τεχνικές προδιαγραφές του συγκεκριμένου θερμογράφου, προτείνεται η απόσταση των 90 cm του αισθητήρα από το στόχο με κλίση 45 ο προς τα κάτω, ως η πιο κατάλληλη. 1.3. Βαθμονόμηση και χρήση θερμοκάμερας υπέρυθρης ακτινοβολίας Η θερμοκάμερα τοποθετείται σε σταθερή απόσταση από το φυτό. Ο συγκεκριμένος τύπος θερμοκάμερας δεν έχει τη δυνατότητα ασύρματης και συνεχούς επικοινωνίας με το δίκτυο. Η λειτουργία της είναι διαθέσιμη στο χρήστη μόνο κάποιες ώρες, λόγω του μεγάλου όγκου των δεδομένων και της ανάγκης επεξεργασίας τους. Παρόλα αυτά, οι αισθητήρες απεικόνισης είναι κάμερες υψηλής ανάλυσης που μπορούν να παρέχουν υψηλής ανάλυσης θερμική εικόνα και επιτρέπουν μεγαλύτερη ακρίβεια σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Η βαθμονόμηση της κάμερας δεν έγκειται τόσο στη λειτουργία της, όσο στη μετέπειτα επεξεργασία των δεδομένων της, καθώς υπάρχει η δυνατότητα λήψης της θερμοκρασίας από το κάθε εικονοστοιχείο ξεχωριστά και έτσι να υπολογιστεί η θερμοκρασία ενός ή και περισσότερων φύλλων. Ειδικά λογισμικά, όπως το περιβάλλον του MATLAB και το πρόγραμμα Flir ThermaCam Researcher Pro 2.10, έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπουν το χρώμα της εικόνας σε θερμοκρασία, απομακρύνοντας τους θορύβους της συσκευής. Μια πιθανή θέση των αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας με υπέρυθρη ακτινοβολία, φαίνεται στην εικόνα παρακάτω.
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 5 Θέση σημείων καταγραφής δεδομένων, όπως φαίνονται από το λογισμικό θερμικής επεξεργασίας της εικόνας (ThermaCAM TM Researcher Professional 2.10) Θέση θερμογράφου και θερμοκάμερας υπέρυθρης ακτινοβολίας στο μέσο του θερμοκηπίου, σε απόσταση 40 cm από το κέντρο του φυτού και ο θερμογράφος με κλίση από επάνω προς τα κάτω
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 6 1.4. Συμπεράσματα σύγκρισης των αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας από απόσταση Η θερμοκάμερα είναι μία μη καταστρεπτική τεχνική, που επιτυγχάνει γρήγορη επιθεώρηση μεγάλης επιφάνειας του φυτού, μειώνοντας την παραλλακτικότητα της θερμοκρασίας του φύλλου. Έχει τη δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή εκπεμπτικότητας ανάλογα με το στόχο και τις περιβαλλοντικές συνθήκες, ενώ μέσω της περαιτέρω επεξεργασίας της εικόνας μπορεί να μειώνει το απόλυτο και σχετικό σφάλμα. Μειονεκτεί στο ότι δε μπορεί να συνδεθεί ασύρματα σε δίκτυο και η περαιτέρω επεξεργασία της εικόνας δεν ευνοεί το σχηματισμό θερμικών δεικτών σε πραγματικό χρόνο. Ένα ακόμη αρνητικό είναι το υψηλό κόστος εξοπλισμού και ο μεγάλος χώρος αποθήκευσης που απαιτείται. Ο θερμογράφος αντιθέτως, έχει πολύ μικρότερο κόστος από τη θερμοκάμερα, μπορεί να συνδεθεί ασύρματα σε δίκτυο και τα δεδομένα του μπορούν εύκολα να επεξεργαστούν για το σχηματισμό θερμικών δεικτών. Παρόλα αυτά, αν και έχει τη δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή εκπεμπτικότητας, δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση περισσότερων της μίας περιοχής ταυτόχρονα, κάτι που θα συνέβαλε σημαντικά στη βελτίωση της μέτρησης της θερμοκρασίας και τη μείωση του σφάλματος. 2. Βαθμονόμηση και χρήση αισθητήρων μέτρησης φασματικής ανάκλασης από απόσταση Τα όργανα μέτρησης της υδατικής κατάστασης των φυτών τα οποία χρησιμοποιήθηκαν είναι τα εξής: Φορητό υπερφασματικό σπεκτροραδιόμετρο (ADS, 350 2500nm) Vis/NIR FieldSpec 4 Hi-Res), 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
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 7 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 ανάκλασης παρέχει πηγή φωτός που αντιστοιχεί σε 100W. Οι προδιαγραφές του εξοπλισμού αναφέρονται αναλυτικά στο εγχειρίδιο του Arthur (2007). Πολυφασματική κάμερα (custom model, Quest Innovation), 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.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 8 2.1. Βαθμονόμηση και χρήση φορητού υπερφασματικού σπεκτροραδιόμετρου 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 λήψη 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 τού 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 πρέπει να δίνεται στο πλήθος των δειγμάτων καθώς και στην ηλικία και στην υγεία του φύλλου, ώστε να μειώνεται η φυλλική παραλλακτικότητα της μέτρησης. Επαναλαμβανόμενες μετρήσεις του ίδιου φύλλου μπορούν να δώσουν μία πιο αντιπροσωπευτική τιμή ανάκλασης. 2.2. Βαθμονόμηση και χρήση πολυφασματικής κάμερας Για τη βαθμονόμηση της κάμερας χρησιμοποιείται ένας κύκλος διεργασιών που εφαρμόζεται αρχικά σε θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών και στη συνέχεια στο χώρο του θερμοκηπίου. Ο πρώτος κύκλος διεργασιών (σε θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών) πραγματοποιείται μόνο μία φορά κατά την παραλαβή της κάμερας από το χρήστη. Ο δεύτερος κύκλος διεργασιών επαναλαμβάνεται στο
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 9 θερμοκήπιο κάθε φορά πριν τη λήψη της μέτρησης. Πρώτος κύκλος διεργασιών σε θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών Αρχικά γίνεται υπολογισμός σκοτεινού ρεύματος της συσκευής, το οποίο υπολογίζεται σε σκοτεινό θάλαμο καλύπτοντας το φακό με μαύρο ύφασμα. Ο ψηφιακός θόρυβος υπολογίζεται με το διάφραγμα του φακού να ρυθμίζεται στη μεγαλύτερη τιμή του (f/), για διαφορετικά εύρη εικονοστοιχείων, χρησιμοποιώντας τις παρακάτω εξισώσεις: 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 (signal-to-noise ration) η τιμή του θορύβου σε db (decibel). Η απομάκρυνση του θορύβου από τη φωτογραφία πραγματοποιείται στο περιβάλλον του MATLAB, χρησιμοποιώντας το παρακάτω φίλτρο (παράδειγμα με δείγμα δύο εικόνων JPEG): 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)));
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 10 Η γνώση της συμπεριφοράς του αισθητήρα για διαφορετικές τιμές της ακτινοβολίας, ώστε να καταγραφεί η αντιπροσωπευτικότερη τιμή της ανάκλασης του στόχου, είναι απαραίτητη. Αρχικά η διόρθωση των τιμών πραγματοποιείται με την εικονογράφηση πρότυπης επιφάνειας λευκού γνωστής ανάκλασης, σε θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών, χρησιμοποιώντας βαθμονομημένες πηγές φωτός. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, γίνεται ρύθμιση των τεχνητών προδιαγραφών της κάμερας, όπως η τιμή του διαφράγματος και η ταχύτητα λήψης της ακτινοβολίας που εισέρχεται στον αισθητήρα και χρησιμοποιείται μία αλληλουχία αλγορίθμων κατά την επεξεργασία των εικόνων που συμβάλλουν στη ραδιομετρική βελτίωση των αποτελεσμάτων (απομάκρυνση θορύβων-σφαλμάτων που οφείλονται στη λειτουργία της συσκευής). Η αλληλουχία των αλγορίθμων αυτών είναι φίλτρα, τα οποία εφαρμόζονται σε τετράγωνο (average) ή σε κύκλο, 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. Η σειρά των εντολών στο MATLAB περιγράφεται παρακάτω: 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'); ή h2= fspecial('disk',5); g2=imfilter(f,h2,'replicate'); Εφόσον πραγματοποιηθεί η επιλογή της αντιπροσωπευτικότερης τιμής του διαφράγματος για τη συγκεκριμένη ένταση της ακτινοβολίας, γίνεται προσαρμογή των gain/offset του αισθητήρα, ώστε η τιμή της ανάκλασης να πλησιάζει τη τιμή του πρότυπου λευκού. Στη συνέχεια, αξιολογείται η φωτεινότητα των χρωμάτων χρησιμοποιώντας πρότυπα της κλίμακας του γκρι γνωστής ανάκλασης, για τις προτεινόμενες τιμές του διαφράγματος και των gain/offset του αισθητήρα. Κατά τη διαδικασία αυτή, καταγράφεται ο συντελεστής ανάκλασης για κάθε χρώμα και διασταυρώνεται με την τιμή του προτύπου, όπου προκύπτει η εξίσωση διόρθωσης των καταγραφών του αισθητήρα για τιμές της ανάκλασης μικρότερες του 1 (λευκό πρότυπο).
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 11 Δεύτερος κύκλος διεργασιών στο χώρο του θερμοκηπίου Ο πρώτος κύκλος διεργασιών, επαναλαμβάνεται στο χώρο του θερμοκηπίου, για συγκεκριμένες τιμές διαφράγματος που ικανοποιούν τη συγκεκριμένη ένταση της ακτινοβολίας, στο συγκεκριμένο σημείο του χώρου, εκείνη τη δεδομένη στιγμή. Αρχικά γίνεται λήψη της ανάκλασης του λευκού πρότυπου, η οποία μεταβάλλεται έντονα μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου λόγω σκιάσεων, οπότε η προσαρμογή του αισθητήρα στις συνθήκες όπου θα πραγματοποιηθεί η εικονογράφηση του στόχου, είναι απαραίτητη. Επίσης, πραγματοποιείται λήψη σκοτεινού ρεύματος, καλύπτοντας τον αισθητήρα με μαύρο ύφασμα για τη δεδομένη τιμή του διαφράγματος. Στη συνέχεια πραγματοποιείται εικονογράφηση των φύλλων του φυτού από απόσταση. Η προτεινόμενη απόσταση που πρέπει να τοποθετηθεί ο αισθητήρας ώστε να καταγράφεται αντιπροσωπευτικότερη τιμής της ανάκλασης σε επίπεδο καλλιέργειας, είναι τουλάχιστον 1m. Ο διαχωρισμός του φυτού από το φόντο γίνεται μέσω του MATLAB. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό (kmeans), χρησιμοποιείται ευρέως επειδή τείνει σε κάποιο όριο πολύ 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 τιμή της ανάκλασης του φυτού, εφόσον έχει προηγηθεί η ραδιομετρική βελτίωση της εικόνας μέσω των φίλτρων, συγκρίνεται με την αντίστοιχη ανάκλαση του πρότυπου γκρι και διορθώνεται μέσω της εξίσωσης διόρθωσης που έχει προκύψει στον πρώτο κύκλο των διεργασιών (στο θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών). Τέλος, προκειμένου να περιοριστεί η αρνητική επίδραση των εξωτερικών παραγόντων στο σύστημα της κάμερας, πραγματοποιείται βελτίωση της ποιότητας της εικόνας του δείγματος, με την παρακάτω εξίσωση: X(comp) ijk =(X(meas) ijk X(dark) jk ) / (X(ref) jk X(dark) jk ) (3)
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 12 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, και X(ref) jk η τιμή της έντασης της ανάκλασης των εικονοστοιχείων της λευκής εικόνας στις διαστάσεις j και k. Η λήψη λευκού πρέπει να επαναλαμβάνεται σε τακτά χρονικά διαστήματα, ανάλογα με τη διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, στο σημείο που πραγματοποιείται η εικονογράφηση. Αντί αυτού, η χρήση εξωτερικής τεχνητής πηγής φωτός για το σταθερό φωτισμό του στόχου κατά τη διάρκεια λήψης της μέτρησης και η τοποθέτηση μαύρου φόντου, συντελούν στην ομοιομορφία των συνθηκών κατά τη διάρκεια τη λήψης και επιτρέπουν την 24ώρη καταγραφή των δεδομένων, χωρίς την περαιτέρω βαθμονόμηση του αισθητήρα. 2.3. Συμπεράσματα σύγκρισης των αισθητήρων μέτρησης ανάκλασης από απόσταση Για την ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης με βάση την καταγραφή της έντασης της ακτινοβολίας που αντανακλά το φυτό από απόσταση, ως πιο κατάλληλη μέθοδος προτείνεται η χρήση του υπερφασματικού αισθητήρα απεικόνισης. Το βασικό πλεονέκτημα της υπερφασματικής ανάλυσης είναι ότι ο χρήστης δε χρειάζεται να γνωρίζει εκ των προτέρων στοιχεία για το δείγμα, αφού με την επεξεργασία και την μετά-επεξεργασία εξάγονται όλες οι διαθέσιμες πληροφορίες. Ο αισθητήρας θα πρέπει να βρίσκεται σε αρκετή απόσταση από το φυτό (80-100 cm), ώστε να καταγράφεται η ανακλώμενη ακτινοβολία όσο το δυνατόν μεγαλύτερης φυλλικής επιφάνειας, έτσι ώστε να είναι περισσότερο ξεκάθαρος ο διαχωρισμός του φυτού, από το φόντο. Για τον ευκολότερο διαχωρισμό του φυτού από το φόντο και για να επηρεάζεται η μέτρηση όσο το δυνατό λιγότερο από τις αντανακλάσεις των γειτονικών περιοχών, συνίσταται η τοποθέτηση λευκού υλικού, με μαύρη την πίσω επιφάνειά του, στο πίσω μέρος του φυτού. Ο συντελεστής ανάκλασης, που επηρεάζεται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, ρυθμίζεται με τη λήψη λευκής επιφανείας, σε συνθήκες θερμοκηπίου και ο ακριβής καθορισμός του, είναι το κλειδί για τη ραδιομετρική βαθμονόμηση της εικόνας. Περαιτέρω έρευνα απαιτείται για το
Π.1.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 13 φασματικό καθαρισμό, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στις συναρτήσεις που θα χρησιμοποιηθούν στην αξιολόγηση της φασματικής υπογραφής της ανάμικτης ψηφίδας (φόντο φυτό). Με βάση αυτά τα δεδομένα συμπεραίνεται ότι η υπερφασματική κάμερα θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως μία αξιόπιστη μέθοδος για τη μέτρηση της υδατικής κατάστασης του φυτού από απόσταση και την εξαγωγή φασματικών δεικτών, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρακτικό επίπεδο για τη διαχείριση της άρδευσης.