Τα εργαλεία λήψης αποφάσεων Integrated Precision Agriculture (PA), συμπεριλαμβανομένων των πλατφορμών συλλογής και ανάλυσης δεδομένων, έχουν μεταμορφώσει τη γεωργία μας σήμερα βελτιστοποιώντας τη διαχείριση των καλλιεργειών και αυξάνοντας την παραγωγικότητα.
Οι αεροφωτογραφίες, για παράδειγμα, μπορούν να παρέχουν στους αγρότες, τους γεωπόνους και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής σε πραγματικό ή σχεδόν πραγματικό χρόνο, ακριβή και εφαρμόσιμα δεδομένα για τη βελτιστοποίηση των πρακτικών και την αποτελεσματική διαχείριση των πόρων, οδηγώντας σε βιωσιμότητα. Οι αεροφωτογραφίες είναι ένα ισχυρό εργαλείο που επιτρέπει την αποτελεσματική παρακολούθηση μεγάλων εκτάσεων που υποστηρίζει την αποτελεσματική λήψη αποφάσεων μέσω της έγκαιρης ανίχνευσης ζητημάτων καλλιέργειας (όπως το στρες του νερού ή των παρασίτων και οι ελλείψεις θρεπτικών συστατικών), για τη βελτίωση των βιώσιμων πρακτικών με βελτιστοποίηση. Οι συνήθεις τύποι αεροεικόνων για την αξιολόγηση των καλλιεργειών είναι:
Δορυφορικές εικόνες
Οι εικόνες που λαμβάνονται από δορυφορικές εικόνες παρέχουν κάλυψη μεγάλης κλίμακας με συχνούς χρόνους επανεπίσκεψης ανάλογα με τον δορυφόρο. Ο κατάλογος των δορυφόρων που χρησιμοποιούνται στη γεωργία, με βάση τις αναλύσεις τους (Εικ. 1), έχει ως εξής:
Ανάλυση (έως 10m²)
Οι GeoEye-1 ( Geoeye ), WorldView-3 και 4 ( WorldView-4 ), Pléiades ( Airbus Satellites ), Planet Labs ( Planet ), είναι κοινοί δορυφόροι με πολυφασματικές εικόνες που παρέχουν παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών, ανάλυση εδάφους και χαρτογράφηση υποδομής για ανίχνευση άγχους στις καλλιέργειες, ανίχνευση γεωργικών μοτίβων λεπτής κλίμακας, προγραμματισμό ζιζανίων παρασίτων. Πρόκειται για εμπορικές (επί πληρωμή) δορυφορικές εικόνες. Ωστόσο, η πρόσβαση σε εικόνες Planet για ορισμένα σύνολα δεδομένων μπορεί να είναι δωρεάν μέσω συγκεκριμένων προγραμμάτων ή πυλών όπως το USGS Earth Explorer.
Ανάλυση (10m² έως 30m²)
Τα προϊόντα αεροεικόνων Sentinel1-2 και Landsat 8 & 9 ( USGS/NASA ) επιτρέπουν την παρακολούθηση και αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών, βελτιώνοντας την ανίχνευση παρασίτων, βελτιστοποιώντας τις εφαρμογές εισαγωγής μεταβλητού ποσοστού, βελτιώνοντας τη διαχείριση των καλλιεργειών και προάγοντας την περιβαλλοντική ποιότητα μέσω πιο αποτελεσματικής χρήσης εισροών και στοχευμένων βελτιστοποιήσεων.
Εικόνα 1: Σύγκριση ανάλυσης εναέριων εικόνων από κορυφαίους δορυφόρους που χρησιμοποιούνται στη γεωργία.
Ανάλυση (πάνω από 100m²)
Το Φασματοραδιόμετρο Απεικόνισης Μέτριας Ανάλυσης ( MODIS/NASA ), το Project for On-Board Autonomy – Vegetation ( PROBA-V ) και οι Geostationary Operational Environmental Satellites ( GOES ), μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για την κάλυψη της γης και την ανάπτυξη της βλάστησης με βασικά δεδομένα για εφαρμογές όπως χρήση γης, μελέτες καλλιέργειας, χαμηλής περιβαλλοντικής κλάσης με αδρές αναλύσεις σε σύγκριση με συστήματα υψηλότερης ανάλυσης.
Εικόνες με βάση το αεροπλάνο
Οι εικόνες που βασίζονται σε αεροπλάνο αναφέρονται στη συλλογή δεδομένων ανίχνευσης που λαμβάνονται από επανδρωμένα αεροπλάνα ή άλλα αεροσκάφη εξοπλισμένα με κάμερες και αισθητήρες που πετούν πάνω από καλλιεργήσιμες εκτάσεις παρέχοντας εικόνες υψηλής ανάλυσης σε σύγκριση με δορυφορικές εικόνες. Η υψηλότερη χωρική ανάλυση των εικόνων που λαμβάνονται από αεροπλάνα σε σύγκριση με τις δορυφορικές εικόνες, μπορεί να οδηγήσει σε λεπτομερή ανίχνευση, χαρτογράφηση και παρακολούθηση, στη γεωργία ακριβείας. Μερικά πλεονεκτήματα των εικόνων που βασίζονται σε αεροπλάνο είναι: α) προσαρμόσιμες διαδρομές πτήσης για στόχευση συγκεκριμένων τοποθεσιών με προκαθορισμένες διαδρομές, διασφαλίζοντας κάλυψη περιοχών που μπορεί να είναι δύσκολο να παρακολουθηθούν με δορυφόρους, β) μπορούν να χρονομετρηθούν για καθαρές καιρικές συνθήκες και χρήσιμες για περιοχές με συχνή νέφωση καθώς και συλλογή δεδομένων κατ' απαίτηση, γ) το αεροπλάνο μπορεί να φέρει μεγάλη ποικιλία από αισθητήρες opical, υπερφασματική για λεπτομερή ανάλυση βλάστησης και εξερεύνηση ορυκτών. Από την άλλη πλευρά, ο υλικοτεχνικός συντονισμός και οι άδειες πτήσης, η περιορισμένη κάλυψη, η εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες και το υψηλότερο κόστος σε σύγκριση με τους δορυφόρους, είναι μερικά από τα μειονεκτήματα των εικόνων που βασίζονται σε αεροπλάνο και την καθιστούν λιγότερο αποτελεσματική για παρακολούθηση παγκόσμιας κλίμακας.
Εικόνα από Drone (UAV).
Εικόνα 2: Drone με σταθερά φτερά που χρησιμοποιείται για χαρτογράφηση πεδίου
Μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (drones) εξοπλισμένα με πολυφασματικές, RGB, θερμικές και υπερφασματικές κάμερες και αισθητήρες, εξαιρετικά προσαρμόσιμα σε συγκεκριμένες περιοχές και συνθήκες, μπορούν να καταγράφουν πολύ υψηλή χωρική ανάλυση (ακρίβεια σε επίπεδο εκατοστών). Συνήθως, τα drones είναι οικονομικά αποδοτικά για μικρές και μεσαίες εκμεταλλεύσεις και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικό χρόνο ή κατ' απαίτηση για την ανίχνευση λεπτής κλίμακας μεταβλητότητας στις καλλιέργειες και το έδαφος. Η περιορισμένη περιοχή κάλυψης σε σύγκριση με τους δορυφόρους και τα αεροπλάνα, οι κανονιστικοί περιορισμοί στις πτήσεις με drone σε ορισμένους τομείς, η απαιτούμενη τεχνογνωσία στο σχεδιασμό πτήσεων, η απόκτηση και η επεξεργασία δεδομένων είναι μερικές από τις προκλήσεις στη χρήση των drones. Οι διάφοροι τύποι UAV που χρησιμοποιούνται στη γεωργία με βάση τις δυνατότητές τους και τα συγκεκριμένα είναι:
Εικόνα 3: Τα drones μπορούν να εξοπλιστούν με αισθητήρες RGB, Multi-spectral ή Hyperspectral.
Μη επανδρωμένα αεροσκάφη με σταθερά φτερά
Παρόμοια με τα μικρά αεροπλάνα με φτερά και μπορούν να καλύψουν μεγάλες περιοχές αποτελεσματικά. Οι λεπτομέρειες σχετικά με τα drones με σταθερά φτερά είναι η χαρτογράφηση πεδίου μεγάλης κλίμακας, η παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών, οι τοπογραφικές έρευνες και η μεγάλη διάρκεια πτήσης για την κάλυψη μεγάλων περιοχών με υψηλή απόδοση για μεγάλες φάρμες. Η περιορισμένη ικανότητα αιώρησης, οι απαιτήσεις της περιοχής εκτόξευσης και προσγείωσης και το υψηλότερο κόστος είναι ορισμένες προκλήσεις στη χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών με σταθερά φτερά (Εικ. 2).
Μη επανδρωμένα αεροσκάφη με περιστροφικά πτερύγια (πολυστροφέα).
Τα drones με πολλαπλούς ρότορες (π.χ. τετρακόπτερα, εξακόπτερα) είναι εξαιρετικά ευέλικτα για ευκολότερη απογείωση και προσγείωση που μπορούν να αιωρούνται και να πετούν σε χαμηλά ύψη για πιο ακριβή συλλογή δεδομένων (Εικ. 3). Ο χρόνος πτήσης για αυτά τα drones είναι μικρότερος (20-40 λεπτά).
Εικόνα 4: Drone πολλαπλών ρότορα που χρησιμοποιείται για ψεκασμό, εξάπλωση και σπορά
Ψεκασμός, σπορά και εξάπλωση drones
Με μεγαλύτερη χωρητικότητα ωφέλιμου φορτίου, αυτά τα drones έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν εφαρμογές μεταβλητού ρυθμού και να εφαρμόζουν με ακρίβεια φυτοφάρμακα, ζιζανιοκτόνα και θρεπτικά συστατικά. Χρησιμοποιείται για εφαρμογές φυτοφαρμάκων, ζιζανιοκτόνων και λιπασμάτων, αντικαθιστώντας τις παραδοσιακές μεθόδους ψεκασμού. Τα βαρέως τύπου drones ψεκασμού με περιστροφικά φτερά μπορούν να μεταφέρουν μεγάλο ωφέλιμο φορτίο. Μπορούν επίσης να εξοπλιστούν με σύστημα ψεκασμού και παρακολούθησης εδάφους με τεχνητή νοημοσύνη για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του ψεκασμού μεγάλης κλίμακας. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να μειώσει το κόστος εργασίας και να βοηθήσει στη μείωση των χημικών αποβλήτων (Εικ. 4).
Drone παρακολούθησης ζώων
Αυτά τα UAV μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρακολούθηση της υγείας, παρακολούθηση κοπαδιών και ζώων και αξιολόγηση βοσκοτόπων για τη βελτίωση της διαχείρισης.
Λεπτομερής ανάλυση των προτεινόμενων drones για διαφορετικές εφαρμογές
Εικόνα 5: Μια Πολυεπίπεδη Εξερεύνηση Τεχνολογιών Απεικόνισης
Τα UAV μπορούν να εξοπλιστούν με διαφορετικούς τύπους αισθητήρων απεικόνισης, που χρησιμοποιούνται για εναέριες έρευνες για την αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών και άλλες σχετικές πληροφορίες, την παρακολούθηση αγέλης και ζώων που μπορεί να καλύψει μεγάλες περιοχές καταγράφοντας γρήγορα εικόνες υψηλής ανάλυσης. Οι κύριοι τύποι καμερών απεικόνισης drone που χρησιμοποιούνται στη γεωργία είναι οι εξής:
Οι τυπικές έγχρωμες εικόνες RGB (Κόκκινο-Πράσινο-Μπλε), μοιάζουν με αυτά που βλέπουν τα ανθρώπινα μάτια και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αεροφωτογράφηση, χαρτογράφηση, οπτική επιθεώρηση, τοπογραφία, μέσα ενημέρωσης και ψυχαγωγία.
Οι πολυφασματικές κάμερες μπορούν να καταγράφουν δεδομένα σε πολλαπλές φασματικές ζώνες (συνήθως ορατές και κοντά στο υπέρυθρο). Ο δείκτης Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) που χρησιμοποιείται στη γεωργία ακριβείας και αποκαλύπτει πληροφορίες σχετικά με την υγεία της βλάστησης, τον προσδιορισμό της καταπόνησης των καλλιεργειών και τα επίπεδα υγρασίας του εδάφους, είναι προϊόν και παράδειγμα συλλεγόμενων δεδομένων σε πολλαπλές φασματικές ζώνες.
Οι υπερφασματικές εικόνες με εκατοντάδες στενές φασματικές ζώνες σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για έρευνα σε περιβαλλοντική παρακολούθηση, γεωργία ακριβείας, ανίχνευση ρύπανσης και ταυτοποίηση υλικών. Η υψηλή φασματική ανάλυση επιτρέπει τη λεπτομερή ανάλυση της σύνθεσης του υλικού.
Οι εικόνες θερμικής υπέρυθρης ακτινοβολίας (TIR) μπορούν να παρέχουν διακυμάνσεις χαρακτηριστικών θερμοκρασίας σε αντικείμενα και επιφάνειες.
Οι εικόνες Near-Infrared (NIR) που καταγράφουν την ανάκλαση στο φάσμα του κοντινού υπέρυθρου μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την παρακολούθηση της υγείας της βλάστησης, την ανίχνευση υδατικού στρες και την ανάλυση δασικής βιομάζας.
Οι αισθητήρες LiDAR (Light Detection and Ranging) χρησιμοποιούν παλμούς λέιζερ για να δημιουργήσουν λεπτομερή τρισδιάστατα σημειακά σύννεφα εδάφους και δομών.
Οι εικόνες ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR) χρησιμοποιούν κύματα ραντάρ για να διεισδύσουν στα σύννεφα, τη βλάστηση, ακόμη και τις επιφάνειες του εδάφους.
Οι εικόνες υπέρυθρων βραχέων κυμάτων (SWIR) με υπέρυθρο φως βραχέων κυμάτων, χρήσιμες για την αναγνώριση υλικών και περιεκτικότητας σε υγρασία, μπορούν να ανιχνεύσουν χημικές συνθέσεις και παραλλαγές υγρασίας.
Οι εικόνες υπεριώδους (UV) χρησιμοποιούν ακτινοβολία UV για να ανιχνεύσουν αλλαγές στην επιφάνεια και οργανικές ενώσεις που μπορούν να αποκαλύψουν λεπτομέρειες αόρατες στο ορατό φως.
Κάθε τύπος εικόνων UAV μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκεκριμένες εφαρμογές, ανάλογα με την τεχνολογία του αισθητήρα και την προβλεπόμενη ανάλυση (Εικ. 5).
Μελλοντικές Εργασίες και Προκλήσεις
Ενώ οι εναέριες εικόνες φέρνουν επανάσταση στη γεωργία ακριβείας, η επεξεργασία δεδομένων και ο χειρισμός τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων απαιτούν προηγμένη υπολογιστική ισχύ και τεχνογνωσία. Επίσης, οι δορυφορικές εικόνες υψηλής ανάλυσης και τα εξελιγμένα drones μπορεί να είναι ακριβά για τους αγρότες μικρής κλίμακας. Η χρήση drones υπόκειται στους ακόλουθους κανονισμούς και περιορισμούς για τον εναέριο χώρο, εκτός από τις αντίξοες καιρικές συνθήκες και την κάλυψη νεφών που μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα της εικόνας και τη συλλογή δεδομένων.
Παρά αυτές τις προκλήσεις, οι αεροφωτογραφίες έχουν έναν πολλά υποσχόμενο ρόλο στη μετατροπή της γεωργίας ακριβείας παρέχοντας στους αγρότες πολύτιμες πληροφορίες για τη βελτιστοποίηση της αγροτικής παραγωγής και τη βελτίωση της περιβαλλοντικής ποιότητας. Αξιοποιώντας τη δύναμη των drones, των δορυφόρων και των αναλυτικών στοιχείων που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη, η γεωργία κινείται προς ένα μέλλον βελτιωμένης ακρίβειας και παραγωγικότητας.
