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
