Click here to load reader

Kvantitativní odhad vybraných biofyzikálních parametrů porostů · PDF file 2019-12-10 · Kvantitativní odhad vybraných biofyzikálních parametrů porostů zemědělských

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Kvantitativní odhad vybraných biofyzikálních parametrů porostů...

  • Kvantitativní odhad vybraných biofyzikálních

    parametrů porostů zemědělských plodin na podkladě

    družicových dat Sentinel-2 a jeho využití pro tvorbu

    aplikačních map precizního zemědělství

    Certifikovaná metodika

    RNDr. Jan Mišurec, Ph.D.1

    Mgr. Jiří Tomíček1

    Ing. Petr Lukeš, Ph.D.2

    Ing. Karel Klem, Ph.D.2

    1 Gisat s.r.o., Milady Horákové 547/57, Praha-7, 170 00

    2 Ústav výzkumu globální změny AV ČR v.v.i., Bělidla 986/4a, Brno, 603 00

    2019

  • 1

    Dedikace

    Tato metodika vznikla v rámci řešení projektu TH02030248: Využití družicových dat Copernicus

    pro efektivní monitoring stavu a managementu vybraných rostlinných agrosystémů který byl

    podpořen v rámci programu Epsilon Technologické Agentury České republiky (TA ČR).

    Oponenti

    doc. Mgr. Jitka Kumhálová, Ph.D.

    Katedra využití strojů

    Technologická fakulta

    Česká zemědělská univerzita v Praze

    Kamýcká 129, Praha 6 – Suchdol, 165 00

    Poděkování

    Autorský kolektiv by na tomto místě rád poděkoval lidem, bez jejichž podpory a pomoci by vývoj

    popisované metodiky nebyl možný.

    Martina Martincová (Poděbradská Blata a.s.)

    Ing. Jiří Hlaváček (Pěstitel Stratov s.r.o.)

    Ing. Jan Foldyna

    Mgr. Markéta McEwan (Gisat s.r.o,)

    Bc. Lucie Jakešová (Gisat s.r.o.)

    Bc. Lukáš Fajmon (ÚVGZ AV ČR v.v.i.)

    Mgr. Tomáš Purket (ÚVGZ AV ČR v.v.i.)

    Mgr. Barbora Veselá (ÚVGZ AV ČR v.v.i.)

    dr. Rahul Raj, Ph.D. (ÚVGZ AV ČR v.v.i.)

  • 2

    Obsah

    1. Cíle metodiky ............................................................................................................................................ 3

    2. Vlastní popis metodiky ......................................................................................................................... 4

    2.1. Úvod ..................................................................................................................................................................... 4

    2.1.1. Teorie kvantitativního odhadu biofyzikálních parametrů vegetace ............................... 6

    2.2. Sběr referenčních pozemních dat ............................................................................................................ 7

    2.2.1. Organizace pozemních kampaní pro sběr referenčních dat................................................ 8

    2.2.2. Měření obsahu chlorofylu .................................................................................................................. 9

    2.2.3. Měření obsahu vody, specifické listové plochy a hmotnosti ............................................ 10

    2.2.4. Měření indexu listové plochy ........................................................................................................ 11

    2.2.5. Měření spektrálních charakteristik porostů ........................................................................... 13

    2.3. Předzpracování družicových dat Sentinel-2..................................................................................... 15

    2.4. Parametrizace modelu přenosu záření PROSAIL ........................................................................... 16

    2.4.1. Odhad hodnot strukturálních parametru N ............................................................................ 17

    2.4.2. Odhad parametrů popisujících architekturu listoví a strukturu porostu ................... 17

    2.4.3. Vliv kvetení řepky .............................................................................................................................. 18

    2.5. Kvantitativní odhad biofyzikálních parametrů porostů .............................................................. 19

    2.5.1. Tvorba databáze simulovaných spektrálních signatur ...................................................... 19

    2.5.2. Výpočet biofyzikálních parametrů z družicových dat Sentinel-2 .................................. 20

    2.5.3. Maskování pixelů družicových dat postižených oblačností ............................................. 23

    2.5.4. Omezení výpočtu obsahu chlorofylu a vody na porosty o dostatečné zapojenosti 23

    2.6. Validace výsledků odhadu biofyzikálních parametrů .................................................................. 23

    2.6.1. Validace odhadu biofyzikálních parametrů pomocí pozemních měření .................... 23

    2.6.2. Srovnání s odbornou literaturou a zhodnocení výsledků validace ............................... 26

    2.7. Tvorba aplikačních map ............................................................................................................................ 27

    2.7.1. Definice vymezení management zón ......................................................................................... 27

    2.7.2. Stanovení počtu management zón .............................................................................................. 30

    2.7.3. Přenositelnost určení management zón mezi zemědělskými pozemky ..................... 31

    2.8. Srovnání novosti postupů ........................................................................................................................ 32

    3. Popis uplatnění metodiky ................................................................................................................. 33

    4. Ekonomické aspekty uplatnění metodiky................................................................................... 34

    5. Seznam použité související literatury........................................................................................... 34

    6. Seznam publikací, které předcházely metodice ....................................................................... 36

    7. Použité přístrojové a softwarové vybavení a externí datové vstupy ................................ 37

  • 3

    1. Cíle metodiky

    Sledování stavu vegetace prostřednictvím družicových dat je důležitá aplikace dat dálkového

    průzkumu Země. Vlastnosti vegetace jsou ovšem typicky popisovány pouze pomocí tzv.

    vegetačních indexů, které jsou založeny na aritmetické kombinaci odrazivosti vegetace v několika

    spektrálních pásmech. Přestože vegetační indexy mohou o stavu porostů leccos napovědět, jejich

    hodnoty jsou v případě multispektrálních dat v naprosté většině případů ovlivněny několika

    různými charakteristikami vegetace současně (např. obsahem listových pigmentů, zapojeností

    porostu, množstvím biomasy, prostorovou orientací listoví apod.). Z tohoto důvodu je následná

    interpretace hodnot vegetačních indexů velmi obtížná. Oproti tomu jsou biofyzikální parametry

    mnohem specifičtějšími indikátory stavu vegetace, neboť mají přímou souvislost s jednotlivými

    biologickými a fyzikálními procesy souvisejícími s vegetací.

    Cílem této metodiky je souhrnný popis postupu výpočtu biofyzikálních parametrů zemědělských

    plodin na podkladě družicových dat Sentinel-2 s využitím modelu přenosu záření včetně

    zhodnocení jeho spolehlivosti pomocí referenčních pozemních dat. Součástí metodiky je

    kompletní popis jednotlivých fází zahrnujících sběr referenčních dat (sekce 2.2), předzpracování

    družicových dat Sentinel-2 (sekce 2.3) až po vlastní řešení kvantitativního odhadu hodnot

    biofyzikálních parametrů (sekce 2.4, 2.5 a 2.6) a jejich následné využití pro tvorbu aplikačních

    map využitelných v rámci precizního zemědělství (sekce 2.7). Popis metodiky obsahuje rovněž

    výsledky

    S ohledem na spektrální charakteristiku družicových dat Sentinel-2, na jejichž využití je celá

    metodika založena, je prováděn kvantitativní odhad hodnot následujících tří biofyzikálních

    parametrů:

    Obsah chlorofylu (Cab): vyjadřuje obsah fotosynteticky aktivních pigmentů v listoví vztažený na

    listovou plochu (μg/cm2). Množství listových pigmentů přitom úzce souvisí s celkovou

    fotosyntetickou aktivitou rostlin. Kromě toho koreluje s množstvím dusíku v listech. Odhad

    obsahu chlorofylů tak může být použit jako jeden z hlavních vstupů pro tvorbu aplikačních map

    pro variabilní aplikace, např. pro sledování aktuálního zdravotního stavu porostů, nebo ke

    zhodnocení dopadů provedených agrotechnických opatření. V průběhu dozrávání (např. obilniny,

    řepka apod.) dochází k přirozenému úbytku obsahu chlorofylu, díky čemuž je možné sledovat

    nejen aktuální úroveň zralosti, ale i tzv. selektivní dozrávání plodin.

    Obsah vody (Cw): je vyjádřen parametrem Equivalent Water Thickness (cm) představující výšku

    vrstvy, kterou by voda obsažená v listech vytvořila na ploše listu. Výsledek je proto vyjádřen

    v centimetrech [cm]. Jedná se o dynamický parametr popisující aktuální zásobenost porostů

    vodou. Díky tomu je možné sledovat případné ohrožení rostlin nedostatkem vody (např.

    v důsledku sucha). Podobně j

Search related