Χωρική ανάλυση αγρονομικών και τηλεπισκοπικών (UAS) δεδομένων για την πρόβλεψη παραγωγής καλλιέργειας ρυζιού

Abstract

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται χωρική ανάλυση αγρονομικών και τηλεπισκοπικών δεδομένων για την πρόβλεψη της παραγωγής σε καλλιέργεια ρυζιού. Ειδικότερα, διερευνάται η χώρο – χρονική παραλλακτικότητα μιας σειράς δεικτών βλάστησης (Δ.Β.) υπολογισμένων από δεδομένα τηλεπισκόπησης που αποκτήθηκαν με τη χρήση εμπορικής πλατφόρμας UAS (e-Bee σε 4 ημ/νίες) και η ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης της παραγωγής. Η περιοχή μελέτης τοποθετείται στην Χαλάστρα Θεσσαλονίκης και τα πρωτογενή δεδομένα ελήφθησαν την καλλιεργητική περίοδο 2016. Τα δεδομένα αυτά περιλαμβάνουν τηλεπισκοπικές πολυφασματικές εικόνες υπερυψηλής ανάλυσης από 18 αγροτεμάχια 580 στρ. καλλιέργειας 2 ποικιλιών ρυζιού (Ronaldo και Gladio), 97 σημειακά δεδομένα που σχετίζονται με την ποσότητα συγκομιδής, καθώς και λοιπές πληροφορίες για την καλλιέργεια, όπως καταγράφονται στο ημερολόγιο αγρού από τoν παραγωγό. Υπολογίστηκαν 10 απλοί και σύνθετοι Δ.Β. και μελετήθηκε η διαχρονική εξέλιξη των τιμών τους κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου καθώς και η συγκριτική μεταξύ τους συσχέτιση. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της αξιολόγησης/ευαισθησίας του κάθε Δ.Β. για τα διάφορα φαινολογικά στάδια της καλλιέργειας καθώς και η χωρική παραλλακτικότητα της παραγωγής και των Δ.Β., ενώ αναγνωρίστηκαν οι καλύτερα σχετιζόμενοι με τη συγκομιδή Δ.Β. Επιπρόσθετα, υπολογίστηκαν 3 τύποι διαχρονικών Δ.Β. (multitemporal VI) από συνδυασμούς Δ.Β. διαφορετικών χρονικών περιόδων λήψης τηλεπισκοπικών δεδομένων και μελετήθηκε η συνεισφορά τους στη βελτίωση της πρόβλεψης της συγκομιδής. Καθώς η Ronaldo είναι ποικιλία τύπου Japonica ενώ η Gladio είναι τύπου Indica, συμπεριφέρονται διαφορετικά ως προς το χρόνο ωρίμανσης (η Gladio είναι πρωιμότερη κατά περίπου 20 ημέρες) και όλες οι τιμές των Δ.Β. επηρεάζονται από τις αλλαγές στη φυσιολογία και τη φαινολογία των φυτών. Οι διαφορές αυτές μεταξύ των 2 ποικιλιών αποτυπώνονται στη διαχρονική μελέτη των μεμονωμένων Δ.Β. αλλά και των διαχρονικών Δ.Β. Η παραλλακτικότητα εντός των αγροτεμαχίων που αποδίδεται στην εδαφική σύσταση και τη θρέψη επηρεάζει με προβλέψιμο τρόπο τις τιμές των πιο ευαίσθητων εξ’ αυτών. Συμπερασματικά, o NDVI συσχετίζεται ισχυρά με την παραγωγή ακόμη και σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης (r = .78 για Ronaldo και r = .94 για Gladio) ενώ οι σύνθετοι Δ.Β. RERDVI και MCARI1 έχουν το μεγαλύτερο συντελεστή γραμμικής συσχέτισης με την παραγωγή (r = .74 για Ronaldo και r = .97 για Gladio αντίστοιχα) ακόμη και όταν υπολογίζονται πρώιμα, στο στάδιο του booting. Για την ποικιλία Ronaldo η εξέταση των διαχρονικών δεικτών βλάστησης αυξάνει την ακρίβεια πρόβλεψης της συγκομιδής (το r αυξάνεται έως και κατά 0.63) ενώ το αντίθετο παρατηρείται με την ποικιλία Gladio.

In this thesis a spatial analysis of agronomic and remote sensing data is made in order to derive accurate yield prediction of rice crops. Space-time variability of a series of vegetation indices (VI) were calculated from remote sensing data obtained using a commercial UAS platform (e-Bee at 4 dates) and the development of prediction models was conducted. The study area is located in the region of Chalastra (municipality of Thessaloniki) and the primary data were obtained during the 2016 growing season. These data include ultra-high resolution remote sensing multispectral images of 18 plots totaling 58 acres of Ronaldo and Gladio rice crop varieties, 97 point data related to yield and many other information recorded in the producer’s field log. Ten (10) simple and compound VIs were calculated and evolution of their values during the growing season as well as their comparative correlation were studied. A study of the usability / sensitivity of each VI was conducted for the different phenological stages of the cultivation as well as of the spatial variation of VI’s and yield; the higher correlated VIs was identified. Furthermore, 3 types of multitemporal VI were calculated from combinations of VI from different dates and their contribution to improving yield prediction was studied. As Ronaldo is a Japonica type of rice variety and Gladio is Indica type, they behave differently in terms of maturation time (Gladio is approximately 20 days earlier) and the value of every VI is affected by changes in plant physiology and phenology. These differences between the two varieties are reflected in the multitemporal study of the individual VIs but also, in the study of the values of the multitemporal VI. Variability within the plots attributed to soil composition and nutrition affects the value of the most sensitive VI in a predictable way. In conclusion, NDVI is strongly correlated to yield even when calculated during early growth stage (r = .78 for Ronaldo and r = .94 for Gladio variety) whereas the compound VIs RERDVI and MCARI1 have the highest linear correlation coefficient with yield (r = .74 for Ronaldo and r = .97 for Gladio respectively) even when calculated as early as in the booting stage. For the Ronaldo variety, the examination of the multitemporal VIs increases yield prediction accuracy (r increase by up to 0.63), while in the case of Gladio variety the opposite is observed.