شرکت توسعه کشت ذرت
سنجش از دور در کشاورزی
سنجش از دور شامل تشخیص و اندازه گیری ویژگی های فیزیکی یک جسم از فاصله دور است. این امر معمولاً مستلزم ارزیابی ویژگیهای یک محصول در حال رشد از یک سیستم هوایی یا ماهوارهای با اندازهگیری بازتاب تابش خورشیدی از تاج پوشش محصول است. سنجش از دور این مزیت را ارائه می دهد که اندازه گیری ها را به سرعت در یک منطقه بزرگ ممکن می سازد، که می تواند تغییرات فضایی را که ممکن است از طریق مشاهده زمینی آشکار نباشد، آشکار کند. اندازه گیری های مکرر در طول زمان می تواند تغییرات در شرایط محصول در طول فصل رشد را تشخیص دهد. فناوری سنجش از دور از مدتها پیش وجود داشته است و به زمان پرتاب اولین ماهواره تصویربرداری زمینی لندست یک در سال 1972 برمی گردد. فرکانس و وضوح تصویر امروز و پیشرفتهای فناوری، سنجش از دور را به ابزاری مفید، راحت و مقرونبهصرفه در دسترس همه تولیدکنندگان محصولات کشاورزی قرار داده است.
اصول تصویرسازی گیاهی
سنجش از دور در تولید محصولات زراعی مانند بذر ذرت شامل تعیین کمیت طول موج تشعشعات خورشیدی است که توسط یک تاج پوشش گیاه زراعی منعکس می شود. تابش خورشیدی ورودی می تواند جذب شود، منتقل شود (از سایبان عبور کند)، یا منعکس شود. گیاهان از نظر خواص بازتابی متفاوت هستند. گونه های مختلف می توانند الگوهای بازتاب متفاوتی داشته باشند، اما بازتاب می تواند نشان دهنده وضعیت گیاه نیز باشد. گیاهانی که از نوعی استرس رنج می برند مانند خشکی یا کمبود مواد مغذی می توانند الگوی بازتابی متفاوتی با گیاهان سالم داشته باشند (شکل 1).
شکل 1) نقشه شاخص گیاهی که تنوع فضایی در سلامت محصول در یک مزرعه را نشان میدهد.
فناوری سنجش از دور می تواند طول موج بازتاب را در داخل و خارج از طیف نور مرئی (400 تا 750 نانومتر) تعیین کند. نوارهای طول موجی که معمولاً برای اندازه گیری پوشش گیاهی استفاده می شوند، نوارهای قرمز، سبز، آبی و نزدیک به فروسرخ (NIR یا مادون قرمز) هستند (شکل 2). همه گیاهان دارای یک اوج بازتاب در نوار سبز (520-600 نانومتر) هستند، به همین دلیل نیز عموما سبز رنگ دیده میشوند زیرا این طول موج را بازتاب میدهند.
انعکاس در نوار آبی (450-520) و نوار قرمز (630-680 نانومتر) کمترین است، زیرا اینها طول موج هایی هستند که برای فتوسنتز جذب می شوند. باند NIR درست خارج از طیف نور مرئی (760-900 نانومتر) قرار دارد و یک نوار بسیار مفید برای اندازه گیری وضعیت گیاه است.
می تواند تغییرات قابل توجهی در بازتاب NIR توسط گیاهان وجود داشته باشد. گیاهان سبز و سالم به طور کلی تشعشعات بیشتری را در باند NIR نسبت به گیاهانی که نوعی استرس را تجربه می کنند، منعکس می کنند.
شاخص های پوشش گیاهی
مقدار نسبی بازتاب در باندهای مختلف می تواند به عنوان شاخص سلامت گیاه مورد استفاده قرار گیرد که به آن شاخص های گیاهی گفته می شود. انواعی از شاخصهای پوشش گیاهی در طول سالها برای کاربردهای مختلف توسعه یافتهاند. متداول ترین شاخص پوشش گیاهی، شاخص گیاهی تفاوت نرمال شده (NDVI) است که از زمان توسعه آن در اوایل دهه 1970 در طیف وسیعی از کاربردها استفاده شده است. NDVI بر اساس بازتاب در باندهای قرمز و NIR محاسبه می شود. در این فرمول از بازتاب نوارهای نزدیک به فروسرخ و قرمز استفاده میشود.
NDVI = (بازتاب NIR – بازتاب RED) / (بازتاب NIR + بازتاب RED)
NDVIشاخص گرافیکی سادهای است که در تحلیلها و اندازهگیریهای سنجش از دور و ارزیابی وجود یا عدم وجود پوشش گیاهی یک منطقه کاربرد دارد. مطالعه رفتار زمانی پوشش گیاهی، طبقهبندی پوشش گیاهی در سطح جهانی، پایش محصولات کشاورزی، مطالعات بیابانزدایی و خشکسالی، حفاظت محیط زیست، بررسی تعادل میزان انرژی و آب در سطح جهانی از جمله کاربردهای شاخص NDVI بهشمار میرود. دامنه تغییرات این شاخص بین ۱+ و ۱- است. مقادیر منفی شاخص NDVI (اعداد نزدیک به ۱-) نشاندهنده پهنههای آبی است. مقادیر نزدیک به صفر (بین ۰,۱- تا ۰,۱+) معمولاً نشاندهنده سطوح برهنه سنگی، ماسهای یا برفی است. مقادیر پایین و مثبت شاخص (حدود ۰٬۲+ تا ۰٬۴+) نشاندهنده پوشش درختچهای و علفزار و مقادیر بالای شاخص NDVI (اعداد نزدیک به ۱+) نشاندهنده جنگلهای بارانی مناطق گرم و استوایی است.
اشکال اصلی استفاده از NDVI در کاربردهای مربوط به محصولات زراعی، این است که تغییرات کوچک در سلامت محصول ممکن است به اندازه کافی در مقدار شاخص ثبت نشود. در عمل، NDVI به طور کلی در توصیف تنوع فضایی در سلامت گیاه موثر است و تصویری فوری از بخشهای خوب و بد یک مزرعه ارائه میکند. NDVI برای ردیابی تغییرات در شرایط محصول در طول زمان خوب نیست. زیرا برای تغییر NDVI نیاز به تغییر زیادی در بازتاب NIR است. شاخص گیاهی دامنه پویا گسترده (WDRVI) از یک تغییر در NDVI استفاده می کند و در سال 2004 معرفی شده است. WDRVI محدوده دینامیکی NDVI را با اعمال پارامتر وزنی α به بازتاب NIR افزایش می دهد.
استفاده از پارامتر وزنی a، رابطه بین مقدار شاخص و بازتاب NIR را خطی میکند که حساسیت شاخص را به تغییرات کوچک در پوشش گیاهی با تراکم بالا افزایش می دهد. این پارامتر به WDRVI اجازه میدهد تا تفاوتهای کوچک در سلامت برگ را ثبت کند و تغییرات در شرایط محصول را در طول زمان بهتر تشخیص دهد.
تصویربرداری ماهواره ای
عصر سنجش از دور مبتنی بر ماهواره با پرتاب لندست 1 در سال 1972 به عنوان بخشی از برنامه ماهواره ای منابع زمین آغاز شد. این اولین ماهواره ای بود که تنها با هدف مطالعه و نظارت بر سطح زمین به کار گرفته شد. لندست 1 مجهز به دو حسگر بود که در مجموع هفت باند طیفی کار میکردند و وضوح فضایی 80 متر داشت. ماهوارههای سنجش از دور دیگری در سالهای بعدی به کار گرفته شدند، اما کاربرد آنها برای تولید محصولات زراعی به دلیل وضوح فضایی بزرگ و تصاویر کم محدود بود. لندست 1 چرخه تکرار 18 روزه داشت، یعنی هر 18 روز تصاویر جدید از هر منطقه ارایه میکرد.
تصویربرداری هوایی
تحقیقات اولیه با استفاده از سکوهای سنجش از دور مبتنی بر هواپیما برای تولید محصول نیز به طور جدی در دهه 1970 آغاز شد. تحقیقات کاربرد عکسبرداری هوایی مادون قرمز را برای شناسایی مناطق تحت تنش محصولات کشاورزی نشان داد. این تکنیک به طور گسترده در مناطق کشت آبی و برای محصولات با ارزش استفاده می شد. پیشرفت در فناوری کشاورزی دقیق در دهه های 1990 و 2000 منجر به علاقه گسترده ای به استفاده از سنجش از راه دور مبتنی بر ماهواره و هواپیما به عنوان مبنایی برای مدیریت مزارع شد. استفاده از هواپیما مزیت وضوح فضایی بیشتر و همچنین انعطاف پذیری بیشتر در برنامه ریزی و عدم تداخل ابری در تصاویر برخوردار است، اما هزینه آن برای مصرف کننده بیشتر است.
با توجه به هزینه و پیچیدگی مربوط به پرواز هواپیماهای سرنشین دار و بال ثابت، قابلیت حیات آنها را به عنوان یک نظام سنجش از راه دور محدود می کند، به ویژه با توجه به این که ارزش بالقوه سنجش از دور، دریافت تصاویر مکرر در طول فصل رشد است، تا بتوان مشکلات را همانطور که آشکار می شوند، شناسایی و اصلاح نمود.
شکل 3) پیشرفت های سریع در سیستم های هوایی بدون سرنشین کوچک (پهپاد)، کاربردهای تصویربرداری هوایی در کشاورزی را در مقایسه با سیستم های مبتنی بر هواپیماهای سرنشین دار قدیمی بسیار مفیدتر، مقرون به صرفه تر و قابل دسترس تر کرده است.
امروزه، پیشرفتها در فناوری ماهواره و هواپیما، سنجش از راه دور را برای تولیدکنندگان محصولات کشاورزی کاربردی و مقرون به صرفه کرده است، به گونهای که قبلاً چنین نبوده است. فناوری بهتر و ارزانتر ماهواره امکان استقرار ماهوارههای متعدد را فراهم کرده است که وضوح مکانی و زمانی بالاتری را ارائه میکنند. در سال 2013، در مجموع 18 ماهواره سنجش از دور در مدار قرار گرفتند. تا سال 2017، این تعداد به 177 افزایش یافت. به همین ترتیب، توسعه هواپیماهای کوچک بدون سرنشین ارزان و کاربرپسند (پهپاد) اکنون سنجش از راه دور مبتنی بر هواپیما را به ابزاری بسیار کاربردی و مفید برای تولید محصولات کشاورزی تبدیل کرده است (شکل 3). پیشرفت سریع در فناوری پهپاد در چند سال گذشته یک تغییر مهم در سنجش از راه دور هوایی و در تحقیقات و تولید محصولات کشاورزی بوده است. در حال حاضر بزرگترین ناوگان پهپاد سنجش از دور کشاورزی در جهان با بیش از 575 هواپیما در حال فعالیت است. استفاده از پهپاد به فروش در مزرعه و تولید بذر نیز گسترش یافته است. که ما در مجموعه کشت ذرت، با هدف بهبود فرایند و حصول به ذرت دانه ای مرغوب را پیش می بریم.
فنآوریهای سنجش از دور مدرن با پیشآگاهی به مزارع و مناطقی که در آنها یک تنش در پیشرفت محصول شناسایی شده است، میتوانند جستجوی روی زمین را بسیار کارآمدتر نمایند. تصاویر مکرر از مزراع ذرت مبتنی بر ماهواره می تواند کشاورزان را از مشکلات بالقوه آگاه کند. هنگامی که یک مشکل شناسایی شد، میتوان از پهپاد برای مشاهده دقیق تر مزرعه استفاده کرد و مشکل را تشخیص و رفع نمود.
ارزیابی تراکم کشت ذرت
یکی از مهمترین کاربردهای فناوری پهپاد که در تحقیقات، فروش و تولید بذر ذرت و بذر پاپ کورن استفاده میشود، ارزیابی تراکم کشت محصول است. ارزیابی تراکم مبتنی بر تصویر، پیشرفتهای گستردهای را در سرعت و کارایی، نسبت به شمارش بوته در روش سنتی ارائه میکند. فنآوری نرمافزاری قادر است گیاهان منفرد را در تصاویر شناسایی کند و به سرعت ارزیابی از میزان تراکم گیاهی ارائه دهد (شکل 3). این روش علاوه بر اندازهگیری تعداد بوته در واحد سطح، امکان کمیسازی سریع خلا موجود در تراکم گیاهی مزرعه را نیز فراهم میکند.
شکل 4) شمارش بوته منفرد نقاط قرمز) و خلا بوته موجود در ردیف (مربع زرد)
ارزیابی تراکم کشت با استفاده از پهپاد اجازه می دهد تا شمارش بوته از تمام قسمت های یک زمین در مدت زمان کوتاهی نمونه برداری شود و تصویر کامل تری از استقرار کلی بوته ها نسبت به آنچه که با استفاده از روش های سنتی بدست می آید ارائه می دهد. یک طرح پرواز ارزیابی تراکم می تواند یک مزرعه با اندازه متوسط را در حدود 10-15 دقیقه پوشش دهد (شکل 4). پهپادها ابزارهای ارزشمندی برای جستجوی پیشرفته در مزراع ذرت هستند، به ویژه در اواخر فصل رشد که بوته ها بلندتر هستند و حرکت و دید در مزرعه محدودتر است. یک نما از بالای مزرعه می تواند مسائل و شرایط سلامت محصول را در مزرعه نشان دهد که ممکن است از روی زمین قابل مشاهده نباشند.
شکل 5) یک طرح پرواز پهپادی ارزیابی تراکم با 18 نقطه برداشت اطلاعات از مزرعه
پایش سلامت مزرعه ذرت
سنجش از دور ماهوارهای و هوایی میتواند سرعت و کارایی جستجوی میدانی و تصمیمگیری مدیریت محصول را تا حد زیادی افزایش دهد. آنچه در زیر می آید چند نمونه از سناریوهای مدیریت زراعی است که در آنها تصاویر ماهواره ای و هوایی بینش های ارزشمندی در زمینه مدیریت محصول ارائه می دهند.
شکل 6) تصاویر سلامت بیشتر محصول ذرت در ربع شمال شرقی مزرعه
در تصویر بعدی شرایط سلامت محصول در یک مزرعه ذرت در اوکلاهوما است (شکل 6)، همانطور که تصویر مشخص است در گوشه شمال شرقی مزرعه شرایط بهتری حاکم است و سلامت بوته های ذرت بهتر است. دلیل این تفاوت با توجه به سابقه کشت این مزرعه مشخص شد. بخش شمال شرقی مزرعه 15 سال قبل مرتع بوده و خاک این منطقه دارای سطوح مواد آلی بالاتری بود (حدود 3٪)، در مقایسه با بقیه مزرعه که کمتر است (1.5-2٪).
شکل 7) تصاویر سلامت محصول ذرت در مرداد ماه نمایانگر منطقه ای از سلامت محصول ضعیف در مزرعه (سمت چپ). جستجوی آسیب کرم ریشه ذرت را در این ناحیه (سمت راست) نشان داد.
در مثال دیگری در اوهایو تصاویر نشان داد که این مزرعه ذرت دارای ناحیه کوچکی از سلامت نسبتاً ضعیف محصول در گوشه شمال غربی مزرعه است (شکل 7). مشاهده تغییر در سلامت محصول در هفته های قبل نشان داد که این شرایط اخیرا به وجود آمده و در تصاویر گدشته نبوده است. تصاویر سلامت محصول متمرکز بر این بخش از مزرعه که چندین روز بعد گرفته شد، این یافته ها را تأیید کرد و نشان داد که بخش ضعیف مزرعه گسترش یافته است. مشخص شد که برای تشخیص مشکل نیاز به شناسایی از روی زمین است. پس از بررسی میدانی مشخص شد که کاهش سلامت محصول ناشی از آسیب کرم ریشه ذرت است.
شکل 8) تصاویر نوارهای متناوب کاهش سلامت محصول (سمت چپ) و آسیب باد کشف شده (راست)
مثال بعدی در مورد خسارت طوفان به یک مزرعه ذرت در ایلینوی است. در این مزرعه تصاویر نوارهای متناوب از سلامت محصول خوب و کاهش یافته را نشان داد (شکل 8). این مزرعه با دو بذر هیبرید مختلف کشت شده بود. جستجوی بعدی آسیب، گسترده باد را به یکی از این دو هیبرید نشان داد، که موید الگوی نواری در تصاویر است.
نتیجه گیری
سنجش از دور در کشاورزی، پتانسیل فوقالعادهای را ارائه میدهد، اما در گذشته برای استفاده در مقیاس وسیع بسیار گران و دشوار بود. اما با پیشرفتهایی که اخیرا در دسترسی به تصاویر ماهواره ای و همچنین هزینه اندک استفاده از پهپادها بوجود آمده، امکان سنجش از راه دور با کیفیت بالا، مقرون به صرفه و راحت در حال حاضر در دسترس است و به کشاورزان این امکان را میدهد تا با استفاده از تصاویر تقریباً روزانه از ماهوارههای سنجش از دور جهان، به طور فعال پیشرفت محصول را روی رایانه یا دستگاه تلفن همراه نظارت کنند. همچنین تصاویر هوایی پهپادها همراه با نرم افزار های مناسب میتواند تنش های محدودکننده عملکرد را آشکار کند و به هدایت جستجوی میدانی کمک کند. اطلاعات به دست آمده از پیاده سازی این فناوری ها امکان تصمیم گیری سریع تر و آگاهانه تر برای مدیریت محصول ذرت را فراهم می کند. شرکت توسعه کشت ذرت نیز به عنوان شرکتی پیشرو در علوم و فناوری های نوین کشاورزی، مزارع ذرت بذری شاخص خود را با استفاده از فناوری سنجش از دور مورد بررسی قرار داده و در صورت نیاز، راهنمایی های لازم از طریق کارشناسان خبره شرکت به کشاورزان بذرکار ارایه میشود.